铜锌锡硫硒太阳能电池的体相与异质结的性能调控

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具有锌黄锡矿结构的铜锌锡硫硒Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)半导体材料由于具有优异的光电性能和储量丰富的组成元素,在光伏领域具有广阔的研究前景。目前,基于二甲基亚砜(DMSO)溶液体系制备的CZTSSe太阳能电池的最高认证效率达到13.0%,但仍与理论效率极限32%有很大差距。一方面,提升CZTSSe活性层的晶体质量和器件的界面性能是实现效率突破的重要途径;另一方面,深入了解CZTSSe太阳能电池内部的电荷损失机制可以为器件的进一步优化提供理论支持。本论文的研究工作重点围绕效率损失的潜在机理、制备高质量CZTSSe吸收层和改善异质结性能的实验方法展开,取得了以下成果:(1)提出了CZTSSe材料中不同缺陷态间存在的协同效应加速电荷复合的机制,有助于理解造成体相材料中极短的少子寿命和器件较大的开路电压(VOC)损失的原因。基于对CZTSSe材料中的原子无序和深缺陷态的性质进行系统性的总结和分析,发现由原子无序带来的带尾态虽然会削减有效带隙,但对电荷损失的贡献是很微小的,而深缺陷态可作为有效非辐射复合中心诱导电荷复合。在我们提出的协同效应中,深缺陷态是造成电荷复合的关键,同时广泛存在的带尾态会加速深缺陷态对载流子的俘获。此外,我们例举了四种用于探测缺陷态的实验方法,并系统地整理了通过这些方法获得的缺陷态信息,试图对影响CZTSSe材料少子寿命的关键缺陷进行定位。进一步地,还对导致载流子界面复合的因素进行了讨论。全面、辩证地认识并有效地调控CZTSSe太阳能电池的体相缺陷和界面特性是制备高效率器件的重要研究方向。(2)提出了一种简单的钠掺杂后处理方法,即对Cu2ZnSn S4(CZTS)前驱膜进行Na Cl的乙醇/水溶液旋涂处理。在后续的硒化过程中,钠原子的引入有利于助熔剂Cu2-xSe的形成,从而促进了金属元素的输运,获得了致密平整、晶粒尺寸大、次级相Cu2Sn(S,Se)3较少的CZTSSe薄膜。二次离子质谱(SIMS)深度分析表明钠原子在吸收层中呈梯度分布,荧光光谱(PL)表明适量钠原子的引入可以抑制带尾态。通过优化Na Cl溶液浓度,获得了效率为11.18%的CZTSSe太阳能电池,钠掺杂实验组的平均效率比对比组高出13%。此外,钠掺杂器件的耗尽区更宽、电荷复合寿命更长。此工作为制备高质量CZTSSe薄膜和高性能器件提供了一种简便的钠掺杂方法,同时也有助于进一步了解钠原子在CZTSSe太阳能电池中的作用。(3)发展了一种对CZTSSe/CdS异质结进行两步退火处理来提高界面性能的方法,即在高温(210℃)处理前引入低温(90℃)退火步骤,基于此方法获得了效率为12.33%的CZTSSe太阳能电池。研究表明,通过两步退火处理,可以获得具有较小的电子势垒的“spike”型CZTSSe/CdS异质结能带结构。这有利于载流子的输运,可降低界面电荷复合损失,从而提高器件的开路电压(VOC)和填充因子(FF)。此外,两步退火有效地避免了直接高温退火带来的负面作用(如:CdS薄膜的覆盖度降低、界面元素的过度扩散),同时改善了CdS的结晶性,降低了器件内部的缺陷态密度,尤其是界面缺陷态。本工作提供了一种改善锌黄锡矿太阳能电池中CZTSSe/CdS异质结性能的有效方法,并有助于理解不同退火温度对界面的影响。
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