調(diào)控吸收層元素比例改善CZTSSe薄膜電池開路電壓和填充因子.pdf

1、銅鋅錫硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe))半導體材料因其無毒、組成元素地殼儲量豐度高、適于大規(guī)模生產(chǎn)等特點成為最具潛力替代 Cu(In,Ga)(S,Se)2(CIGS)太陽能電池材料。因為CZTSSe和CIGS的晶體結(jié)構(gòu)相似，所以CZTSSe也具有以下幾個優(yōu)點：(1)直接帶隙半導體，而且禁帶寬度可調(diào)；(2)在近紅外區(qū)有比較高的吸收系數(shù)；(3)其理論效率高達32.2％。目前CZTSSe薄膜太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率為12

2、.6%是由Mitzi課題組通過肼溶液法制備得到的。但是對比CIGS太陽能電池高達22.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，CZTSSe太陽能電池距產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。但由于肼有劇毒、易爆等特點，非肼溶液法更受到研究者的青睞。
　　非肼溶液法制備CZTSSe薄膜太陽能電池仍存在很多問題：(1)非肼溶劑在實驗過程中會有氯、氧等雜原子殘留，硒化不完全；(2)電池開路電壓損耗大，開路電壓較低；(3)吸收層中硫含量的增加能提升薄膜的帶隙，但同時薄膜晶格

3、中缺陷濃度也會增大，串聯(lián)電阻增大而導致填充因子等參數(shù)的降低。為了解決以上問題，我們采用優(yōu)化硒化條件，調(diào)整薄膜中的硒、硫比例，通過In離子摻雜的方法改善電池效率并最終取得了8.47%的轉(zhuǎn)換效率。所以本論文的工作主要包括以下三部分：
　　(1)首先我們用硫化物配置了前驅(qū)體溶液，并優(yōu)化前驅(qū)體溶液的配置及其薄膜的制備條件，在得到平整、致密、厚度適中的前驅(qū)體薄膜后繼續(xù)優(yōu)化了硒化條件，通過對硒化時間，硒化溫度等條件進行了一系列探索，最后在55

4、0 oC的高溫下硒化得到平整、硒化完全的CZTSSe薄膜，我們將硒化后的薄膜組裝電池并取得了5.12%的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　(2)我們調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液中S和Se的比例，提升CZTSSe薄膜的帶隙，以達到提高開路電壓的目的。在實驗中我們將不同比例的Se和S單質(zhì)溶解于前驅(qū)體溶液中，通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體溶液中S和Se的比例，使前驅(qū)體薄膜中的帶隙在1.20 eV~1.47 eV之間變化，硒化之后Cu2ZnSn(S1-XSeX)4的帶隙(Eg)從1

5、.03 eV提升到了1.09 eV。開路電壓(Voc)從320 mV提高到了422 mV，在硫含量最多的時候，F(xiàn)F卻有明顯的降低，所以電池的光電轉(zhuǎn)換效率也呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢，當X=0.5也就是加入單質(zhì)S和Se的比例為1:1時，取得了最高為6.53%的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　(3)本章中我們通過In離子的摻雜改善吸收層的傳輸，在不影響電池Jsc, Voc的同時提升了FF，提高了電池效率。最后我們采用溶液法溶解了 In2Se3，

6、使 In離子均勻的分布于混合緩沖層CZTSSe結(jié)構(gòu)的太陽能電池吸收層中。之前Mitzi等人采用In2S3緩沖層實現(xiàn)In離子的摻雜，但In2S3緩沖層的擴散摻雜使In離子分布不均勻也無法控制摻雜濃度而我們采用溶液法可以精確地控制In離子的摻雜濃度。Mott-Schottky曲線和電阻率的測試表明薄膜的載流子濃度及其電導率，分析測試結(jié)果我們得到載流子濃度隨著 In摻雜濃度的增加而增大，同時電導率也隨之改善，傳輸性能的改善使電池的串聯(lián)電阻也隨