用于Cu2ZnSn(S,Se)4太阳电池的Cd1-xZnxS缓冲层及吸收层/缓冲层界面电学特性研究

Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe) thin-film solar cell is a kind of promising solar cell. Currently, people believe that the recombination at the absorber/buffer interface is an important factor that limiting the performance of CZTSSe solar cell, but the detailed mechanism of the recombination and the relationship between the interface recombination and the solar cell fabrication are still unclear. By analyzing our previous work and reviewing reference, we found the properties of the absorber/buffer interface (interfacial traps, band structure etc.) are closely related to the buffer layer material and buffer deposition. Theoretically, the electrical properties of the absorber/buffer interface could be modified by adjusting the material and deposition process of buffer layer, and therefore, the interfacial recombination could be suppressed and the solar cell performance could be improved. In this proposal, we will use Cd1-xZnxS buffer layer (high open circuit voltage could be achieved) to fabricate CZTSSe solar cells. Based on the characterization of the solar cells, we will investigate how the deposition process of buffer layer influence the properties of absorber/buffer interface and further the solar cell performances. Then we will explore the way to modify the absorber/buffer interface. We hope to find effective ways to decrease the concentration of interfacial traps and optimize the band structure of the interface. Thus the efficiency could be improved, which will contribute to the development of CZTSSe solar cells.

Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)太阳电池是一类很有前景的太阳电池。目前认为阻碍其转换效率提高的关键因素是吸收层/缓冲层界面处的复合，但界面复合的具体机理以及界面复合与太阳电池制备工艺的关系尚不完全清楚。综合本课题前期工作及文献发现，吸收层/缓冲层界面电学特性（界面缺陷、能带结构等）与缓冲层材料及其沉积工艺存在很大关联。因此，理论上可通过优化缓冲层材料及其沉积工艺改善吸收层/缓冲层界面电学特性，减少界面复合，提高太阳电池转换效率。本课题将使用Cd1-xZnxS缓冲层（可实现较高开路电压）制备CZTSSe太阳电池，并系统研究缓冲层沉积工艺影响吸收层/缓冲层界面电学特性进而影响太阳电池性能的具体机理。在此基础上，尝试对吸收层/缓冲层界面进行调控，探索减少界面缺陷及优化界面能带结构的有效途径，为CZTSSe太阳电池的发展拓展新的思路，提高其转换效率。

Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）是一类很有发展前景的化合物太阳电池材料，较目前成熟的Cu(In,Ga)Se2、CdTe等化合物太阳电池材料，CZTSSe材料无毒，且其组成元素均为地球上储量较为丰富的元素。然而目前人们所制备的CZTSSe材料中往往含有较多的对太阳电池性能不利的电学缺陷。另外，对CZTSSe太阳电池中吸收层/缓冲层界面的特性及其优化的研究尚不够深入。这些因素导致目前CZTSS太阳电池的转换效率偏低，无法进行实际生产应用。本项目对CZTSSe材料的制备优化以及CZTSSe太阳电池吸收层/缓冲层界面特性的调控进行了较为深入的研究，使用掺Ge的制备方法提高CZTSSe吸收层材料的质量，使用新型的Cd1-xZnxS缓冲层并通过调整缓冲层制备工艺对太阳电池吸收层/缓冲层的界面特性进行调整。本项目主要研究内容及结果如下：针对缓冲层沉积工艺及优化，系统研究了缓冲层制备方法及制备参数对缓冲层性能的影响，得到具有合适性能的Cd1-xZnxS缓冲层，实现Cd1-xZnxS缓冲层的可控沉积；针对CZTSSe太阳电池中的吸收层/缓冲层界面，通过改变缓冲层材料的制备工艺实现对吸收层/缓冲层界面的调控，并对其机理进行了分析；开发了一种对CZTSSe材料进行Ge掺杂的制备方法，使用这种方法制备出具有较高质量的CZTSSe吸收层材料，并对CZTSSe材料Ge掺杂的机理进行了初步探索。通过优化制备工艺，我们最终制备出转换效率为9.7%的CZTSSe太阳电池。除此之外，我们还探索了可应用于CZTSSe太阳电池的新型缓冲层材料，制备出CZTSSe/TiOx等原型器件。通过本项目的开展，我们对CZTSSe太阳电池吸收层材料的优化和吸收层/缓冲层界面的调控有了更为清晰的认识，为下一步制备出可商业化应用的CZTSSe太阳电池打下了坚实的基础。