铜铟镓硒与铜锌硒硫界面的微观特性与宏观光电性能的关联性研究

Thin film solar cell is developing a lot recently. Due to the matched band gap to the solar spectrum and high absorption coefficient, chalcopyrite semiconductors are promising materials for high efficiency and low cost solar cells. Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) and Copper Zinc Tin Sulfide (CZTS) based polycrystalline semiconductors are used for thin film solar cells, which are the most popular materials in recent years. However, there is a large gap between the device efficiencies and their theory values. The main reason is due to the serious recombination in interfaces. The defect density and band alignment can make large effects on carrier transport and consequently device performance. In this work, advanced TEM technology will be widely applyied to investigate the interfaces between absorption layer and window layer or back contact, such as CIGS/Mo, CIGS/CdS, CZTS/Mo,Ti, CZTS/ZnS(S,O,OH). The elements distribution, phases, defect densities and band alignment on the interfaces will be analysed. Simultaneously, PL, XPS, Raman will be performed to study the properties of materials and devices. The inner relationships between micro-structure and macro-property will be obtained, and a physical model illustrating the interface recombination and its effects on device behaviours will be build up. This work will give good contributions to the development of high performance thin film solar cells..

近年来薄膜类光伏电池发展迅速。黄铜矿类的薄膜材料由于其合适的能带宽度和高的光吸收系数，成为发展最快的一类材料。其中具有代表性的两个材料是铜铟镓硒（CIGS）和铜锌硒硫（CZTS）。然而，目前黄铜矿体系太阳电池的最高转换效率离它的理论效率还有相当大的差距。研究表明，在薄膜电池界面存在着一种或多种严重的载流子复合现象，制约了器件性能的进一步提高。其中，界面的缺陷密度、能带结构均能影响载流子复合速率和传输，从而影响电池性能。本项目利用多种TEM技术，深入分析CIGS和CZTS两种材料与窗口层的界面，以及与背电极的界面，包括界面处各种元素的分布，相分离的现象和程度，缺陷密度，以及能带结构。同时利用PL，XPS，Raman手段表征其宏观性能。通过建立微观结构与宏观光电性能的关系，深入探究界面特性对电池性能的影响，建立相应的物理模型，从而为制备高效的黄铜矿类类化合物薄膜电池提供科学依据。

具有黄铜矿结构的铜铟镓硒CuInxGa1-xSe2（CIGS）和铜锌锡硫Cu2ZnSnS4（CZTS）由于其带隙与太阳光谱匹配、吸收效率高、性能稳定而被用作薄膜太阳能电池中的吸收层。吸收层与背电极Mo界面特质，如缺陷，化学成份，二次相，层带结构均控制载流子复合速率和传输，是影响异质结薄膜电池性能的最主要因素之一。因此，本工作着重研究薄膜界面特质，以期为优化电池性能提供工艺参数。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、高角环形暗场-扫描透射电子显微技术（HAADF-STEM）和X射线能量散射光谱（EDS）元素面扫描分析（chemical mapping）等多种表征手段，综合分析硒化（硫化）温度对吸收层/背电极Mo界面结构和化学成分的影响，进而对CIGS（CZST）/Mo界面的演变机理进行探讨。主要研究结果为：在CIGSS体系中，随着硒化温度的升高，薄膜界面处的二次相增多。400 ℃硒化时CIGS与Mo层之间界面清晰； 500 ℃时，CIGS/Mo界面上出现MoSe2薄层和富Na的二次相纳米颗粒；当硒化温度从500 ℃升至600℃时，CIGS/Mo界面上分散的二次相区域相互连接成条带状区域。化学分析表明来自衬底的Na离子更多地分布在CIGS/二次相/MoSe2/Mo这一界面结构中的二次相区域。由于硒化温度较高时MoSe2晶粒的（002）晶面多与Mo层表面垂直，可形成一个较为宽松的扩散通道，利于Se、Na等元素的扩散，所以MoSe2增厚且二次相条带变宽。基于以上结论，我们将硒化温度设为550 ℃，着重探讨Na的作用。研究发现当Na掺杂浓度较大时，MoSe2较薄且吸收层中元素偏析不明显，CIGS薄膜电池的填充因子和电池效率最高。在CZTS体系中，当硫化温度从210℃升至600 ℃时，二次相逐渐出现，但中间层的化学成分有很大差异甚至出现分层现象。只有当硫化温度为450℃时，各元素在中间层的分布比较均匀，且S扩散进入Mo层。在项目资金的支持下，团队成员已将部分研究结果发表，且多次参加国内外学术交流合作；团队坚持培养各类科研后备力量，并将继续跟进和完善相应的研究工作。