背电极界面调控改善CZTSSe薄膜太阳能电池性能

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环境污染和化石能源减少的问题日趋严重,寻找和开发环保可再生的新型能源以缓解地球的能源危机尤为重要。因此,发展可持续和环境友好的太阳能电池技术是发展可再生新能源的关键方面之一。其中,新型无机薄膜太阳能电池材料中的铜锌锡硫硒Cu2Zn Sn(S,Se)4(CZTSSe)具有带隙可调、吸光系数高、稳定性好、原料来源丰富等诸多优点。这些优点的同时具备,无疑是CZTSSe太阳能电池实现工业化的重要支撑。众所周知,太阳能电池的吸收层材料CZTSSe在高温退火时(T=550℃)极易与钼背电极发生化学反应,生成过厚的MoS2薄膜界面层。但是研究者为了降低MoS2薄膜厚度,在背界面引入的阻挡层高温退火后依然存在,这将会导致电子和空穴的严重复合。此外,生成的CZTSSe/MoS2界面的能带结构,不利于电子和空穴的分离与传输,进而严重影响器件性能。CZTSSe薄膜太阳能电池领域的众多报道也明确提出:降低背电极处MoS2的厚度可有效提高器件性能。因此,在背界面引入退火后可消失的“牺牲层”薄膜以降低MoS2厚度和优化背电极界面处能带结构来提高载流子的分离与传输,对于制备高效CZTSSe薄膜太阳能电池是至关重要的。经过以上分析,我们认为CZTSSe薄膜太阳能电池背电极处主要存在以下问题:(1)降低背界面处MoS2厚度所引入的阻挡层材料退火后依旧存在,形成较高的串联电阻,显著降低器件性能;(2)从能带理论角度分析,化学反应生成的CZTSSe/MoS2界面能带结构,会造成CZTSSe薄膜背电极界面处载流子的严重复合,导致器件的光伏性能恶化。为了解决以上的问题,我们制定了相应的解决方案:首先,在背电极处引入“牺牲层”MoO3薄膜,抑制其化学反应,降低MoS2厚度。然后,通过原位生长法在钼背电极表面预制一层MoSe2薄膜,调整CZTSSe/MoS2界面的能带结构,使界面层Mo S(e)2的价带上移,形成有利于载流子的分离与传输的能带排列,最终达到提高器件性能的目的。本论文的具体的工作内容如下:1、降低背电极处的MoS2厚度,提高器件性能:我们采用热沉积法,在CZTSSe薄膜电池的背电极处制备MoO3薄膜界面层,并且探究在Mo背电极处引入不同厚度MoO3对器件性能的影响。结果表明:在Mo背电极处引入10 nm MoO3界面层时,不仅有效抑制背电极处的化学反应,使MoS2的厚度由209 nm明显降低至84 nm,器件的性能也得到了显著提高,光电转换效率由9.80%提升至11.37%。2、优化背电极界面能带结构,提高载流子的分离与传输效率:我们在快速升温管式炉中预制一层MoSe2薄膜,并且探究不同预制膜温度(MoSe2预制膜的厚度)对背电极界面能带结构及器件性能的影响。研究结果表明:当预制膜温度为350℃时,CZTSSe薄膜高温硒化后,背电极处的界面层由MoS2演变为Mo S(e)2,致使价带上移优化背电极界面能带排列,并且形成了有利于载流子分离和传输的能带结构。最终,提高Mo背电极与CZTSSe吸收层界面处载流子的分离与传输效率,器件效率也得到了明显的提高,由基础的10.28%提升至11.46%。
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