新颖的分子前体溶液法制备高效的铜基薄膜太阳能电池

A novel molecular precursor solution approach is utilized to fabricate highly efficient Cu-based thin film solar cells. Ethanol is used as the solvent, and many types of metal oxides are dissolved in the ethanol solution of carbon disulfide and butylamine, forming air-stable and homogeneous molecular precursor solutions. Many types of high quality Cu-based semiconductor absorbers, including CIGS and CZTS etc., can be made by spin-casting, thermal decomposition, and selenization processes. Subsequently, the solar cell device is finished by utilizing chemical bath CdS, sputtering ZnO, and ITO. Currently, we have achieved 10.1% and 6% efficiencies for CIGS and CZTS solar cells in our lab. The novelties of this project are as follows: 1. ethanol is used as the solvent, which is green, safe, and low-cost; 2. our method is versatile, and many types of high quality Cu-based semiconductor absorbers and buffer layers can be fabricated by this strategy.

本项目采用一种新颖的分子前体溶液法制备高效的铜基薄膜太阳能电池。我们发明的分子前体溶液方法以乙醇为溶剂，把各种金属氧化物溶解在二硫化碳和正丁胺的乙醇溶液中，形成空气稳定的均相分子前体溶液，通过旋涂、加热分解、高温硒化等过程，能够制备出多种高质量的铜基半导体吸光层薄膜，包括铜铟镓硒CIGS和铜锌锡硒CZTS等吸光层。接着通过化学水浴法沉积CdS缓冲层、磁控溅射高阻ZnO和ITO等窗口层，完成电池的制备和组装。目前，我们实验室制备的CIGS和CZTS电池转换效率分别为10.1％和6％。本项目的创新点如下：.1. 使用无毒的乙醇为溶剂，绿色、安全且成本低廉；.2. 该方法具有普适性，能够制备多种高质量的铜基半导体吸光层薄膜以及缓冲层薄膜。

在过去的三年中，我们发展了一种绿色环保且具有普适性的分子前体溶液方法制备了多种高效率的铜基半导体薄膜太阳能电池。我们以绿色环保的乙醇、乙二醇甲醚和水为溶剂，以金属单质、金属氧化物、金属氯化物、金属乙酸盐等为起始原料，把他们溶解到硫醇/胺的混合体系中，形成均相澄清的分子前体溶液，然后通过旋涂退火获得铜基半导体预制膜，经过高温硒化形成大晶粒密堆积的铜基半导体吸光层薄膜，最后经过水浴法沉积CdS，磁控溅射高阻ZnO和ITO，热蒸发金属铝格子电极完成器件的制备与组装。.经过三年时间的努力，我们在分子前体溶液法制备铜基半导体薄膜太阳能电池领域取得了一系列创新性的研究成果，具体如下：.1) 我们发展了一种新颖的有机硫醇/胺溶液法路线来制备分子前体溶液，这一方法可以采用成本低廉的金属单质、金属氧化物以及金属盐来作为起始原料，极大地降低了太阳能电池的制备成本，同时这一方法可以采用低毒的乙二醇甲醚和乙醇作为溶剂，甚至可以直接采用绿色无毒的水作为溶剂；.2) 我们的分子前体溶液方法具有普适性，可以制备铜、锌、锡、铟、镓、镉、铁、铋、锑、钴、镍、锰、镁、锂、钠、钾、硫和硒等20余种金属和非金属分子前体溶液，通过元素组合可以制备出多种多元的铜基半导体吸光层薄膜材料；.3) 我们系统性地研究了锑、锂、钠、钾金属离子对铜基薄膜太阳能电池的影响，我们首次制备了Li合金化的铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池，我们发现Li离子可以进入到CZTSSe的晶格中取代等价的铜离子，从而导致CZTSSe的带隙增大，有效率的提高了器件的开路电压，进而提高光电转换效率。.在过去的三年中，我们课题组发表了与该项目内容密切相关的SCI研究论文14篇，包括1篇Chem. Mater.、1篇Green Chem.、3篇ACS Appl. Mater. Interfaces、1篇Inorg. Chem.、1篇Nanoscle、1篇DaltonTrans.、1篇J. Phys. Chem. C、1篇Sol. Energy Mater. Sol. Cells、1篇J. Power Source、1篇Cryst. Growth Des.、2篇RSC Advance，其中影响因子大于4的研究论文10篇。