太阳电池新材料铜锌锡硫本征缺陷机制和界面调控

铜锌锡硫 Cu2ZnSnS4(记为CZTS)因其组成元素无毒且储量丰富，具有高的吸收系数和理想的禁带宽度，成为新型薄膜太阳能电池吸收层的理想候选材料。CZTS的本征缺陷和它与缓冲层之间的异质结界面对CZTS薄膜太阳能电池的性能会产生重要影响。因此，本项目拟在掌握CZTS薄膜的制备工艺和生长机理的基础上，采用半导体光谱的表征手段研究CZTS薄膜的本征缺陷机制，阐明CZTS的元素化学计量比和组分取代（Se取代S）对其本征缺陷类型、缺陷能级位置的影响规律。研究p型吸收层CZTS/n型缓冲层异质结界面的能带调控规律，着重研究通过改变n型缓冲层（Zn,Mg）O中Zn与Mg元素比例来调控异质结界面的导带帯阶结构的科学机制。并以本征缺陷机制和异质结界面调控规律为指导，研制 CZTS/(Zn,Mg)O薄膜太阳能电池器件。

铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）是新型化合物薄膜太阳能电池吸收层的理想候选材料。该项目研究围绕铜锌锡硫薄膜和电池的制备、缺陷相关的科学问题展开，取得了一系列阶段性的研究成果。掌握了组分可控、单相的Cu2ZnSnS4 (CZTS)薄膜的制备方法；制备出效率约5 %的CZTS和Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)薄膜太阳能电池，性能指标达到国内先进水平；实验研究发现CZTS中存在占位缺陷CuZn+ZnCu，并初步研究了CZTS中的组分、缺陷对电池性能的影响机制。部分阶段性成果已发表SCI论文19篇，其中在Sol. Energy Mater. Sol. Cells，J. Power Sources，RSC Adv.等国内外知名SCI期刊上以第一作者或通讯作者身份发表学术论文13篇，在Phys. Rev. B，Phys. Chem. Chem. Phys., Mater. Lett. 等SCI期刊上以合作作者身份发表论文6篇；在CZTS电池材料和器件的制备方法上，申请国家发明专利3项；协助培养博士研究生两名，硕士研究生两名。具体研究成果如下：.1. 开展了Cu2ZnSn(S,Se)4（记为 CZTSSe）合成、晶体结构和带隙调控的基础研究。实验发现CZTSSe多元合金半导体晶格常数符合Vegard 定律。从理论计算和实验两个方面确认了CZTSSe多元合金半导体的带隙随S/Se比例变化的规律，澄清了前人关于CZTSSe带隙的一些错误认识。研究结果受到同行关注，4篇相关论文发表三年来总引用率已超过200次（统计来源：Web of Science）。CZTSSe晶格振动和禁带宽度的实验研究成果已被收录在CZTS光伏领域日本著名学者Kentaro Ito主编的《Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin Film Solar Cell》（Wiley，2015出版）书籍中（引用位置：书中160-161和168-169页）。.2. 分别建立和发展了磁控溅射后硫化、溶胶-凝胶和电化学沉积三种制备组分可控的CZTS薄膜的方法，其电池转换效率已达5%，性能指标达到国内先进水平。.3. 利用拉曼光谱技术确认了占位缺陷CuZn+ZnCu的存在；借助阻抗谱、导纳谱和PL谱等多种缺陷表征手段初步揭示组分调控、缺陷和CZTSe薄膜电池性能之间的关系。