Ga3+和Ge4+共掺杂制备“V”字型带隙结构的高效率Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池

Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) is considered as the ideal material for solar cell absorber layer, but it’s current efficiency is much lower than the CIGSe solar cells. The key factors for limiting the efficiency of CZTSSe solar cells are the loss of open-circuit voltage for the traditional band gap structure and the anti-site defect (CuZn), meanwhile, the short circuit current and fill factor is low for the recombination of electrons and holes in the Mo back electrode. This project mainly targets at fabricating the CZTSSe absorber layers with the double gradient “V” type bandgap structure by Ga3+ and Ge4+ co-doping strategy. The “V” type bandgap structure is conducive to enhance the single gradient electron transport and reduce the adverse defect, and then obviously improve open-circuit voltage, short circuit current and fill factor. Ga3+ and Ge4+ co-doping strategy shows the three advantages of low Ga3+ diffusion rate, improving the band gap of the surface of absorber layer by Ga3+-doping, and enhancing the crystal growth. Through theoretical analysis and systematically optimizing the experimental conditions, we want to fabricate the CZTSSe absorber layers with “V” type bandgap structure, and provide an innovative solution to further improve the efficiency of CZTSSe solar cells.

Cu2ZnSn(S,Se)4 （CZTSSe）被认为是理想的太阳能电池吸光层材料，但是其效率远低于与其类似的铜铟镓硒太阳能电池。CZTSSe太阳能电池效率低的本质原因是其传统的带隙结构和CuZn反位缺陷损耗了电池的开路电压，而且电子和空穴在背电极易发生复合导致短路电流和填充因子偏低。本项目拟通过Ga3+和Ge4+离子共掺杂来构筑双梯度“V”字型带隙结构的CZTSSe吸光层，来形成有利于电子单梯度传输的带隙结构，同时抑制反位缺陷，从而提高电池的开路电压、短路电流和填充因子。Ga3+和Ge4+离子共掺杂充分利用了Ga3+离子的扩散速率慢、Ge4+离子掺杂能够提高CZTSSe的表面带隙并且能够促进晶体生长的三大优势。本项目通过理论分析和设计系统的优化措施，构建“V”字型带隙结构的CZTSSe吸光层，为进一步提高CZTSSe太阳能电池效率提供创新性的解决方案。

Cu2ZnSn(S,Se)4 （CZTSSe）由丰产、无毒元素组成，具有1.0-1.5 eV可调节的禁带宽度和高的吸收系数，是制备高效薄膜太阳能电池吸收层的理想材料，但其效率远低于与其类似的铜铟镓硒太阳能电池。本项目通过Ga3+和Ge4+离子共掺杂来构筑双梯度“V”字型带隙结构的CZTSSe吸光层，来形成有利于电子单梯度传输的带隙结构，同时抑制反位缺陷，从而提高电池的开路电压、短路电流和填充因子。在该青年基金的资助下，我们主要有以下研究发现：（1）发现在金属盐硫脲体系中原位掺杂高沸点溶剂油胺能够改变CZTSSe晶体生长机制和改善背电极接触性能，当加入油胺的量为0.5 mL时，获得了8.87%的光电转换效率的电池器件；（2）发现少量的Ga3+离子掺杂能够促进晶体的生长，使得吸光层的微结构性能变优，制备得到大晶粒贯穿的吸光层。而过量的Ga3+离子掺杂将抑制吸光层的晶体生长，从而导致吸光层的微结构性能变差，无法得到大晶粒贯穿的吸光层。当Ga3+离子掺杂量为1%时，获得了7.99%的光电转换效率的电池器件；（3）发现硒化过程中Ge4+离子的掺杂能够促进吸光层的晶体生长，从而导致吸光层的微结构性能变好，得到大晶粒贯穿的吸光层，显著提高器件的转换效率；（4）发现在前驱体中进行Ga3+掺杂和硒化过程中Ge4+离子掺杂可以实现Ga3+和Ge4+离子共掺杂，达到提高CZTSSe的表面带隙和促进晶体生长的协同作用，在Ga3+离子掺杂量为1%，硒化温度为550℃的Ge4+离子掺杂的电池器件光电转换效率达到10.28%。此外结合近年来国内外研究的最新进展，我们将CZTS纳米晶作为新型的空穴传输层材料应用在了有机无机杂化钙钛矿太阳能电池中，首先我们对钙钛矿薄膜制备工艺及器件界面等方面进行了优化，然后制备CZTS空穴传输层的碳基钙钛矿电池，与没有CZTS空穴传输层的钙钛矿太阳能电池相比，平均光电转换效率提高了约50％，同时表现出可忽略的滞后性和出色的长期稳定性。本项目在执行过程中，共计发表SCI论文8篇，达到了预期的研究目标。