10000910_12%的铜锌锡硒(CZTSe)薄膜太阳电池：界面态与带尾态的调控-solarbe文库

资源描述：

12的铜锌锡硒CZTSe薄膜太阳电池界面态与带尾态的调控李建军* 尤小辰麦耀华（暨南大学，新能源技术研究院，广州，510632 ）摘要铜锌锡硫硒（Cu 2ZnSnS,Se4）是一种新型多元化合物半导体材料，具有廉价环保的元素组成和高于 30的单节太阳电池理论效率，因而吸引了国内外学术界的广泛关注。我们采用磁控溅射后硒化技术制备出吸收层带隙为 1.0 eV 左右的 Cu2ZnSnSe4 CZTSe薄膜太阳电池。通过精确调控 CZTSe 薄膜的组分和薄膜形貌，抑制 CZTSe 表面的二次相形成和表面分解，显著的降低了 CZTSe 电池的界面态密度，从而有效抑制了异质结界面界面态和吸收层内部的带尾态，将 CZTSe 电池的开路电压提高到 460 mV。此外通过调控自由载流子浓度，增加异质结空间电荷区宽度，使 CZTSe 电池表现出优异的光生载流子收集能力，在 0.25 cm2 的有效面积上实现了 12 以上的光电转换效率。关键词铜锌锡硒（CZTSe太阳电池；界面态；带尾态 1.研究背景与内容目前，CZTSSe 太阳电池的最高效率达到 12.6[1]，已展现出巨大的潜力。然而， CZTSSe 电池的开路电压损失（Eg/q-Voc）普遍在 600 mV 以上，这已成为 CZTSSe 太阳电池进一步提高效率的主要瓶颈。较高的界面态密度引起的界面复合损失是造成 CZTSSe 开路电压较低的主要因素之一。针对以上问题，本文的研究内容主要有采用溅射金属预制层和元素硒硒化的方法制备 CZTSe 薄膜，通过调控元素组分，调控 CZTSe 缺陷分布结构，通过优化硒化温度和气压等条件，调控薄膜表面物相，减少界面态密度和薄膜的带尾态，并获得 12以上的 CZTSe 太阳电池。 2. 研究结果与讨论 2.1 CZTSe 吸收层的表面和断面形貌图 1. CZTSe 薄膜的a表面 SEM 图，bCZTSe 电池断面形貌图 1 为 CZTSe 薄膜的表面和断面 SEM 图，可以看出 CZTSe 表面晶粒较为尖锐，薄膜致密度较高。从断面来看，薄膜厚度大约 2 微米，主要由大晶粒组成，底部晶粒较细碎。 2.2 CZTSe 电池光伏性能 CZTSe 电池的 J-V 曲线和 QE 曲线如图 2 所示，电池的光电转换效率达到 12.25，开路电压为 460mV，表现出优异的光伏特性。从 QE 曲线来看，电池的可见光 QE 响应在 95左右，吸收层带隙 Eg1.03eV，而 PL 发射峰能量为 EPL1.025eV，两者十分接近，这说明 CZTSe 的带尾态密度得到了显著的抑制。图 2. aCZTSe 电池的 J-V 曲线, b CZTSe 电池的 QE 和 PL 图谱图 3. aCZTSe 电池变频 C-V 测试得到的异质结载流子分布 , b光照下 CZTSe 电池变温 J-V 曲线， c电池转换效率和 Voc 随温度的变化图 3a可以看出 CZTSe 电池的的载流子浓度几乎不随频率变化，这说明电池的界面态密度很低，从变温 J-V 测试可以看出电池的复合激活能 EA1.02 eV,与 Eg1.03 eV十分接近，这说明电池在异质结界面的复合被有效的抑制。 3.结论本文研究了溅射后硒化法制备 CZTSe 薄膜太阳电池过程中，如何通过元素组分和硒化条件的优化抑制异质结界面的界面态密度，以及 CZTSe 吸收层内部的带尾态，获得了 VOC460 mV,转换效率超过 12的 CZTSe 电池。参考文献 [1] [1] W. Wang, M. T. Winkler, O. Gunawan, et al. Advanced Energy Materials 2014,7, 1301465 作者简介姓名李建军 Email jianjunlijnu.edu.cn 主要研究方向CIGS 和 CZTS 等化合物薄膜太阳电池通信地址广州市黄埔大道西 601 号邮政编码510632