锌黄锡矿结构薄膜光伏材料的缺陷行为研究和高效器件制备

We focus on the microscopic mechnisms which accounts for the loss in open-circuite voltage of next generation photovoltaic devices based on Kesterite thin films like CZTS. By studying the defects behavior on the Fermi-level splitting and manipulating the formation process of the defects, we want to find novel solutions in designing the formation path for the growth of Kesterite thin film with improved device efficiency. The main contents in thsi project include the following parts. (1) The origin of the donars and acceptors for the observed potential fluctuation and the traping effect of the potential fluctuation in a self-compensated system. (2) Experimental ways to manipulate the deep defects formation by changing the chemical potentials during growth. (3) Electronic structure of the interface/surface states and its effect on carrier recombination/diffusion. (4) The measurement of the interface/surface states and solutions to reduce the interface recombination. By carrying out this research work, we want to find experimental methods to significantly improve the open circuit voltage of the Kesterite photovoltaic devices, which will help us to get high efficency devices made of environment friendly and earth abudant elements.

本项目将着眼于CZTS等锌黄锡矿结构薄膜光伏器件中影响开路电压的微观机制，重点关注材料中的缺陷行为对费米能级劈裂的影响，探究缺陷的形成和调控机制，力争为材料生长的路径设计和器件效率提升提供新的思路与物理基础。主要研究内容包括: （1） 自补偿薄膜材料中波动电势的施主和受主起源探究及其对载流子输运的陷阱效应；（2）锌黄锡矿材料生长中化学势对深能级调控机理的实验验证；（3）晶界态的电子结构及其对载流子复合和扩散中的影响；（4）界面态密度的测量和界面复合的抑制机制。通过本项目的开展，希望为大幅提升器件开路电压指明实验途径，并利用资源和环境友好型新一代光伏材料制作出高效率器件。

本项目着眼于铜锌锡硫（CZTS）等锌黄锡矿结构薄膜光伏器件中影响开路电压的微观机制，重点关注了材料中的缺陷行为对费米能级劈裂的影响，探究了缺陷的形成和调控机制，为材料生长的路径设计和器件效率提升提供了新的思路与物理基础。通过本项目实施获得了以下主要成果：..1）指明了CZTS中2倍于CIGS的波动电势来源于CuZn和ZnCu反位缺陷的形成；Sn和Zn的含量会影响波动电势的变化；Cd部分取代Zn也是抑制反位缺陷削弱波动电势的有效途径。2）Sn含量减少可以提升器件的开路电压和填充因子，从而提升器件的光电转换效率，反之就会降低器件性能；这种Sn含量增加导致的开路电压和填充因子下降主要来源于 [2CuZn+SnZn]缺陷团簇的形成。在富锌的样品中，CuZn反位缺陷能够得到很好的抑制，从而增加了有益的浅能级缺陷VCu的生成，导致开路电压与器件效率都得到了提高。3）在CZTS中Cd元素的掺入一定程度上有利于抑制CZTS 中深能级缺陷CuZn反位缺陷的形成，大大减少载流子界面复合的产生，削弱波动电势，从而有利于解决因复合而导致的开路电压损失问题。4）通过ALD方法制备了Zn(S,O)无镉缓冲层，可以在适当比例下提高开路电压20 mV左右。5）通过STS以及CP-AFM等扫描探针技术定量精确测量了CZTS晶体内部和晶界面附近的能带结构，并通过和CIGS对比，发现CZTS晶界处导带向下偏转而价带向上偏转，这增加了载流子在晶界处的复合并降低了器件的光电转换效率，揭示了CZTS太阳能电池效率较低的微观物理机理；进而通过空气中退火，在晶界面形成高禁带宽度相，改善晶界处的能带结构，降低载流子复合从而提升CZTS器件的光电转换效率。6）通过Cd部分取代CZTS中的Zn，制备了CCZTS电池器件，光电转换效率达到12.3%，接近了当前效率世界纪录的12.6%。7）通过本项目实施发表期刊论文28篇，申请发明专利14项，培养博士后2名，联合培养博士研究生1名，培养硕士研究生14名；尤其通过本项目实施团队引进深圳高层次人才人才3名，培养广东省创新领军人才1名。..相关研究成果推动了我国在第二代资源丰富、环境友好以及成本更低的铜锌锡硫类锌黄锡矿结构光伏材料和器件的蓬勃发展，并有望使我国在未来主导全球该领域的发展。