Cu2ZnSnS4薄膜太阳电池异质结调控及电池性能研究

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is an ideal materials as the absorber layer in thin film solar cells because of its good properties, such as notoxic, high absorption coefficients and proper energy band gap. However, the present research on CZTS solar cell is mainly focused on the film growth, and absence for the p-n heterojunction in solar cell, which is crucial for the development of CZTS solar cell with high conversion efficiency. In this proposal, the growth process of CZTS absorber is first optisized based on the simulation results to undersand the mechanics of energy band gap of CZTS adjusted by tunable composition. Then, the energy band gap engineering, including the gradient of energy band gap in CZTS absorber and the conduction band offset between CZTS and n-type semiconductor film, and their effects on the properties of solar cell is studied in detail. In addition, the interface of p-n heterojunction and the relation between the interface and properties of CZTS solar cell is also studied. By the systematic research designed in this proposal, some key scientific questions can be make clear, such as heterojunction structure of CZTS solar cell, energy band gap and interfaces. The relation between heterojunction structure of CZTS solar cell and the properties of CZTS solar cells can be get a further understand, which can promote the research of CZTS solar cells with high conversion efficiency.

铜锌锡硫（CZTS）因其组成元素储量丰富、环境友好，且具有高的吸收系数和理想的带隙，成为新型薄膜太阳电池吸收层的理想材料。但是，目前铜锌锡硫薄膜太阳电池的发展主要集中在吸收层材料的制备，对于构成电池的p-n异质结缺乏研究，限制了高效电池的研发。本项目通过数值模拟，优化薄膜制备工艺，掌握组分掺杂对CZTS吸收层带隙的调控，系统研究CZTS薄膜内带隙分布与器件性能之间的关系，以及CZTS与不同n-型材料构成异质结间的导带带阶，弄清CZTS薄膜电池异质结能带匹配问题；研究CZTS太阳电池中p-n异质结的界面结构及其与太阳电池的性能之间的关系。通过本项目的研究，可以弄清铜锌锡硫薄膜太阳电池的异质结结构、能带及界面等科学问题，深入认识CZTS太阳电池中p-n异质结与太阳电池性能之间的关联，丰富多元化合物薄膜太阳电池异质结理论，为研制新型高效CZTS太阳电池提供指导，推动CZTS薄膜太阳电池的发展。

异质结是太阳电池工作的核心部分。由于铜锌锡硫硒(CZTSSe)组成元素储量丰富、带隙在1.0-1.5eV连续可调、且对可见光的吸收系数高等优点受到国际光伏界的普遍关注。因此，从对异质结进行研究入手来探索研制高效CZTSSe电池就变得十分重要。本项目的研究目的在于理解与掌握CZTSSe电池的异质结结构暨能带及界面方面的一些关键科学问题，有助于高效CZTSSe电池的研制。本项目研究了构成CZTSSe电池的pn异质结结构与性能关系，重点研究了具有单一组分、成分可调的具有不同带隙的CZTSSe薄膜制备，CdS和Zn(O,S)等缓冲层的制备及异质结界面等问题，解决了极度贫Cu条件下溅射硒化法制备CZTSSe薄膜的生长原理问题。发现所制备的效率超过10%的CZTSSe电池的吸收层均呈(112)择优生长，CdS与CZTSSe结合紧密且与CZTSSe共格生长。带隙增高能够提高电池的Voc，但由于带尾态严重，并不能显著提高电池效率。用Zn(O,S)薄膜做缓冲层，不但能够替代CdS，而且可以不使用传统CZTSSe器件结构中的i-ZnO薄膜，简化了器件结构。通过上述研究，掌握了异质结与器件性能之间的关系。研究结果对研制高效CZTSSe电池具有非常重要的使用价值。在解决Mo背电极与CZTSSe薄膜的欧姆接触问题后，利用上述研究结果研制出效率为10.4%的CZTSSe电池，为2015年度国际上报道的采用溅射硒化法制备CZTSSe电池的最高效率。同时还研制出效率为7.21%的以Zn(O,S)为缓冲层的CZTSSe电池，为目前国际最高效率。发表SCI论文17篇，其中一篇以Frontispiece发表在Adv. Energy Mater.上并被Wiley-VCH出版集团旗下的MaterialsViews进行专题报道。国际会议邀请报告4人次，国内会议邀请报告7人次，申请授权发明专利1项，为Materials Views和中国可再生能源学会光伏专委会撰写CZTSSe电池方面的研究进展等3篇。培养出站博士后1名，毕业博士2名，硕士3名，目前在读4名。