SnS2引入改善铜锌锡硫硒吸收层结晶性

Solution processed Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) solar cells has drawn worldwide attention as an attractive kesterite material due to its low-cost processing techniques and scalable cell efficiency. However, it was often found that the CAZTSSe absorber of these processes exhibited an obvious multilayer morphology after selenization, which can result in high recombination rate for photogenerated carriers and thus deteriorate the performance of solar cell. In this project, the crystallization of the CZTSSe absorbers can be improvement by the use of SnS2. The key feature of this approach is that impurity atoms can be absolutely excluded and significantly modifies its microstructure. By adjusting the concentration, thickness, and the way of introduction for SnS2, it is possible to improving absorber morphology and device performance, and the mechanism are further discussed.

溶液法Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)太阳能电池以其成本低、效率提升空间大的优势吸引了国内外研究者们的广泛关注。然而，该方法所制备的太阳能电池的吸收层在硒化后出现了明显的分层现象，导致了高的光生载流子复合率，破坏了电池的性能。本项目拟通过在CAZTSSe太阳能电池的吸收层引入SnS2来改善薄膜的结晶性，得到大晶贯穿的吸收层薄膜。该方法的显著优势在于能够避免杂质原子的引入，并且能够显著改善吸收层薄膜的微观结构。通过调整SnS2的浓度、厚度、以及引入方式，达到改善吸收层薄膜微观形貌和器件性能的目的，并系统阐明SnS2对CZTSSe太阳能电池吸收层结晶性及器件性能的改善机制。

在溶液法制备的Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池的吸收层中经常出现双层或者三层结构，增加了光生载流子在晶界处的复合几率，严重地破坏了电池性能。本项目首次将阴离子相关的研究引入到CZTSSe吸收层材料中，采用醋酸盐起始材料代替氧化物起始材料成功改善了CAZTSSe薄膜的结晶性，有效抑制了光生载流子在晶界处的复合，光伏器件的开路电压得到了显著提升，其光电转换效率从10.35%提高到11.32%。在此基础上，我们通过用Mn部分取代Zn，显著地降低了CAZTSSe器件中2CuZn+SnZn缺陷的浓度，有效地降低了带隙波动。此外，Mn取代使吸收层薄膜的晶界(GBs)发生了反转，导致电子向GBs聚集，从而提高了光生载流子的收集效率。当Mn取代量为10%时，光伏器件的光电转换效率达到11.81%。该研究结果为通过简单的化学方法改善多元化合物半导体的结晶性和带隙波动，以及改变光生载流子的输运路径提供了新的思路。项目执行期间我们共发表了与该项目密切相关的SCI研究论文11篇，其中申请人以第一作者兼第一通讯作者在Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces等国际著名学术期刊发表SCI收录论文2篇。此外，与项目相关的一项发明专利已经提交，正在审核中。