中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
E02組供稿
第50期
2022年06月16日
銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池研究取得新進展

  銅鋅錫硫硒太陽能電池(CZTSSe)作為一種新型薄膜太陽能電池,因其吸光系數高、弱光響應好、穩定性高、組成元素儲量豐富、環境友好且價格低廉,具有很大的發展潛力,受到越來越多的關注。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心孟慶波團隊近年來在銅基薄膜太陽能電池方面開展了系統研究,在高質量銅鋅錫硫硒薄膜制備、界面調控、器件載流子動力學和電池效率提升等方面取得了系列研究成果。例如,基于二甲亞砜(DMSO)體系,首次揭示了多層結晶的產生機制,并發展了一種簡單、有效的方法抑制多層結晶的形成,獲得高質量CZTSSe單層結晶,所制備CZTSSe電池認證效率為11.7%;發展了一種環境友好的水溶液體系,探索了小分子配體與金屬離子相互作用對前驅膜、硒化膜晶體生長、薄膜微結構及器件性能的影響,獲得了12.8%的電池認證效率(Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2102298;Nano Energy, 2020, 76, 105042; Sci. Bull. 2020, 65, 738, Nano Energy, 2020, 89, 106405, Joule, 2020, 4, 472)。該團隊已經在CZTSSe電池材料及器件方面申請國家發明及實用新型專利13項。

  最近,該團隊與南京郵電大學辛顥教授合作針對CZTSSe電池較大開壓損耗制約著電池性能進一步提升的問題,發展了一種可以同時調控背界面和吸收層體相缺陷的有效策略。研究表明,在Mo基底上引入GeO2,在硒化過程中一部分Ge元素擴散到 CZTSSe 吸收層中,形成Ge摻雜的吸收層,不僅顯著降低了缺陷密度和帶尾態,還提高了空穴濃度,促進準費米能級分裂。另一方面,少量Ge元素參與了背界面處MoSe2的形成,增大了MoSe2功函數,有效分離光生載流子?;谶@種Ge雙向擴散策略,所制備CZTSSe太陽能電池實現了13.14%光電轉換效率和較高開路電壓VOC(547 mV),且認證效率為 12.8%,是迄今報道的基于Ge摻雜/合金CZTSSe太陽能電池的最高效率。該工作提供了一種新穎的、簡單易行的協同調控方法,提高CZTSSe太陽能電池性能,特別是降低開路電壓損耗。

  該研究成果以“Ge Bidirectional Diffusion to Simultaneously Engineer Back Interface and Bulk Defects in the Absorber for Efficient CZTSSe Solar Cells”為題發表在Advanced Materials, 2022, 2202858上。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心清潔能源實驗室E02組博士研究生王金琳為該論文的第一作者,物理所李冬梅研究員、南京郵電大學辛顥教授、物理所孟慶波研究員為該論文的通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金委(U2002216, 51972332, 52172261, 51627803)支持。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202202858

圖1. (a) 旋涂法制備GeO2層及CZTSSe器件結構示意圖;CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜中Ge和O元素在不同硒化條件下的STEM-EDS掃描圖:(b) CZTSSe-0-GeO2 薄膜在545℃-20,(c) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在350℃-5,(d) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在545℃-10,(e) CZTSSe-0.07-GeO2 薄膜在545℃-20。

圖2. (a) 基于CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2 電池J-V曲線;CZTSSe-0-GeO2和CZTSSe-0.07-GeO2器件的缺陷及復合性質;(b)由穩態熒光譜得到的激活能Ea;(c)CZTSSe--0-GeO2樣品的變偏壓TPC;(d) CZTSSe--0.07-GeO2樣品的變偏壓TPC;(e) 基于TPC和TPV測試獲得的收集效率ηc和抽取效率 ηext;(f) 基于導納譜獲得的缺陷態密度;(g) 基于DLCP表征獲得載流子密度;(h) MoSe2-0-GeO2樣品表面電勢;(i) MoSe2-0.07-GeO2樣品表面電勢。