ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4异质结纳米阵列的可控合成及低成本高效太阳能电池研究

Cu2ZnSnS4 (CZTS) has advantages in the abundance of source materials, nontoxicity, and environmental benignity, which make it an outstanding material for the fabrication of low-cost and pollution-free solar cells. While CZTS thin-film solar cells have been reported a record power conversion efficiency of 11.1%, they also suffer from scientific and technical issues, such as difficulty in controllable growth of CZTS with uniform composition and grain size, low lifetime, and large interfacial recombination, etc. This project will propose to fabricate solar cells composed of ZnO/CdS/CZTS heterojuncrion nanoarrays. Compared with the traditional CZTS thin-film solar cells with a planer configuration, using the proposed ZnO/CdS/CZTS nanoarrays for making solar cells can potentially offer advantages of increasing the p-n junction area for efficient charge separation, reducing diffusion lengths of the minority carriers, improving the charge collection efficiency. Characterization and analysis of the structure parameters of the ZnO/CdS/CZTS heterojunction nanoarrays, such as density of nanoarrays, thickness of each layers, composition and crystallinity of CZTS, type of buffer layer (CdS or Cd-free alternatives), and interface structure, will be made to understand their influence on the photovoltaic characteristics of the CZTS solar cells. We then identify the key fundamental parameters and optimize the structures of devices to pursue solar cells with high power conversion efficiencies. The outcomes of this project would provide theoretical and technical guideline for the manufacturing of new concept CZTS solar cells.

铜锌锡硫Cu2ZnSnS4（CZTS）是一种直接带隙半导体，吸光系数高，具有与太阳光谱相匹配的理想禁带宽度（1.5 eV），并且组成元素成本低、无毒性，是发展高效低成本无污染太阳能电池的理想材料。目前，CZTS薄膜太阳能电池的光电转换效率达到11.1%，但是，仍有诸多科学问题需要解决，如CZTS成分与晶粒的有效控制、CZTS中少数载流子寿命短、界面复合严重等。因此，本项目旨在构造和制备ZnO/CdS/CZTS纳米阵列太阳能电池，通过增大电池的p-n结面积促进电子-空穴对的有效分离，缩短少数载流子的扩散路径，提供有效的载流子传输路径，达到提高电池光电转换效率的目的；系统研究ZnO/CdS/CZTS异质结纳米阵列的形貌尺寸、阵列密度、CZTS的成分与结晶度、过渡层种类和界面结构等特征对其能带结构排列、光学性能和电池光伏性能的影响机制，为制备新型CZTS纳米结构太阳能电池提供理论及技术基础。

本项目中，为发展低成本高效率太阳能电池，我们针对太阳能电池吸光层材料和电子传输层材料的可控合成、电池器件结构设计与光伏性能优化开展了系统研究，主要内容和结果如下：（1）采用低成本溶液法制备吸光层材料，系统研究了合成方法及反应条件对Cu2ZnSnS4（CZTS）及相关硫属化合物半导体纳米结构的形貌、尺寸、物相、成分等特征的影响关系，实现纳米结构的可控合成，并揭示了其结构与光学、光电性能之间的构效关系；（2）合成了ZnO纳米线阵列作为电子传输层，构造和制备一系列太阳能电池，通过增大电池的异质结面积促进电子-空穴对的有效分离，缩短少数载流子的扩散路径，提供有效的载流子传输路径，达到提高电池光电转换效率的目的；（3）系统表征和分析了电池性能参数，包括短路电流密度Jsc、开路电压Voc、填充因子FF、光电转化效率PEC、串联电阻Rs和并联电阻Rsh等，进一步优化电池材料和器件结构，为发展新型高效率纳米结构太阳能电池提供了理论及技术基础。上述研究工作取得多项具有一定创新性和系统性的研究结果，部分研究结果已在Adv. Mater.、Nano Energy、Small、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. A、Chem. Asian J.等国际期刊上发表论文18篇，并获授权国家发明专利2项。