可印刷柔性铜锌锡硫单晶颗粒膜太阳能电池的制备与性能研究

Due to lack of understanding of the mechanism of single crystal absorbing layer or single crystalline solar cell, the efficiency of CZTS based solar cells is significantly lower than theoretically expected. In this project, uniform and spherical-shaped CZTS single-crystal grains are to be prepared using molten salt method, where CZTS nano crystallites are used as seeds. Uniform and dense absorber layer embedded with grains are to be prepared with electrostatic embedding and Micro intaglio roller coating technology. New type solar cells with uniform and dense absorber layer are to be prepared with a combination of sputtering deposition, chemical bath deposition, and so on. In the solar cell，every single crystal particles constitute a separate cells. Hence，the spherical absorption surface of each particles can effectively improve the utilization rate of incident light and battery efficiency under the condition of weak light.The effects of the structure, morphology, size, and surface contamination of the single-crystal particle on the efficiency of the new type solar cells will be investigated. The influences of the spherical surface structure of the absorber layer on the optical absorption will be analyzed. New technology and method to improve the efficiency of CZTS based solar cells will be explored for the fabrication of low-cost, environment-friendly and high-efficiency new type CZTS based film solar cells.

因为缺乏对单晶材料和单晶电池的工作机制的深入了解，铜锌锡硫基太阳能电池的效率还远低于理论预期。本项目拟采用熔盐法制备结晶质量高、组分合理、粒度均匀的球形 CZTS 单晶颗粒。采用静电辅助植入法和微凹版辊涂布法两种先进印刷工艺把颗粒植入环氧树脂中制备均匀致密的单晶颗粒吸收层膜，结合等离子体刻蚀、磁控溅射、化学水浴等方法构建具有球冠状单晶颗粒吸收层的新型CZTS 电池结构。这种电池结构中，每个单晶颗粒构建成一个独立的电池单元，球形单晶颗粒形成球冠状吸收面能有效提高入射光的利用率和电池在弱光下的效率。研究单晶颗粒晶体结构、形状、尺寸以及颗粒表面的杂质和污染物的处理工艺对电池效率的影响和作用机理；分析单晶颗粒球冠状吸收面的结构对入射光吸收的影响机理，探索提高新型 CZTS 基电池的效率技术和方法；为研制真正意义上柔性的低成本高效率CZTS 基薄膜电池提供科学依据和技术参考。

迄今为止，铜锌锡硫（CZTS）基薄膜太阳能电池转换效率远低于理论值，主要是由于这类四元半导体晶格缺陷种类和数量多，异质结界面复合严重，杂相与亚稳相不容易消除，使得高效率薄膜电池的制备和性能优化变得更加困难。本项目针对这些问题，利用熔盐法制备CZTS基单晶颗粒，通过单晶颗粒研究该材料的基本特性，进而制备柔性单晶颗粒薄膜太阳能电池，获取制备高效CZTS基薄膜太阳能电池的路径。主要研究内容包括：1、在单晶颗粒制备方面，利用熔盐法制备了一系列CZTS基单晶颗粒，并对其材料学性能和光电性质等进行了详细的研究，特别地，制备出了厘米级（AgxCu1-x)2ZnSnS4棒状单晶颗粒，并利用第一性原理计算了Li/Ag掺杂CZTS的相结构和光学性质。掌握了分散、筛选、表面处理和退火技术，得到结晶程度高、大小均匀、表面清洁、形状可控的单晶颗粒。2、缓冲层制备研究方面，利用光化学沉积法制备薄膜的装置，成功制备了ZnS薄膜、CdS薄膜、Zn（O,S）薄膜。所制备薄膜的性能与传统的化学水浴沉积法（CBD法）得到的薄膜性能相近。3、在柔性单晶颗粒薄膜制备方面，研究了涂覆法和静电转印技术制备CZTS单晶颗粒薄膜，设计了一种卷对卷结合静电转印技术用于制备柔性单晶颗粒薄膜的装置，该装置具备大面积制备柔性单晶颗粒薄膜的能力，目前仍在进一步开发完善中。4、在太阳能电池制备技术方面，开发了一种液态锡加热连续硫化硒化法制备CZTSSe薄膜的方法和设备，研究了一种CZTS薄膜的自硒化技术，并利用该技术制备出CZTSSe薄膜太阳能电池。5、项目实施期间发表学术论文12篇，其中SCI收录论文10篇；申请国家发明专利4项，授权3项，授权实用新型专利2项，联合培养硕士研究生2名。