高Ga组分CIGS光吸收层中点缺陷、晶界再构以及表面再构的电子结构确认及光伏器件开路电压提升的探索

When Ga composition is higher than 0.3 in CuInGaSe2 thin film, there is a big open-circuit voltage deficit for photovoltaic devices compared to the increased bandgap of absorber, which severely limits the conversion efficiency. There is still no big breakthrough for understanding the mechanisms and finding solutions to overcome this worldwide challenge. We propose to reveal the mechanisms by carefully study the evolution of the Ga antisite defects, the Cu-poor grain boundary states and the KF post-treatment induced KInSe2 surface states of the absorber with systematic change of Ga content. By measuring the electronic structures with nano-scale resolution, we want to identify the Ga effect on the separation and transport of photo-generated carriers. We hope to finally find the major loss channels which contributes most for the voltage deficit of the solar cells with high-Ga composition. By combining techniques in manipulating defects formation energy and passivating grain boundary, we want to present experimental solutions to further improve device voltage. After this project, we hope that China becomes one of the leading roles in the world for high performance CIGS devices.

Ga含量高于0.3的高Ga含量CuInGaSe2薄膜材料中，其光伏器件开路电压的增长出现拐点并明显落后于光吸收层禁带宽度的增长，这极大限制了太阳能电池转化效率的提升空间，电压损失的微观机制仍是目前全世界研究者面临的一个重大科学问题，在机理以及解决方案上都急需突破。我们提出从研究CIGS中Ga反位缺陷、晶界贫铜层电子态以及KF后处理产生的KInSe2表面态等三种电子结构随着Ga组分的演变规律入手，结合纳米空间分辨的电子结构和电荷输运的测量，系统揭示Ga组分的增加对光生载流子分离和输运的影响，从而阐明高Ga组分器件中电压的损失机制。在此基础上,我们将结合缺陷形成能的调控手段和晶界钝化手段，为大幅提升高Ga含量器件开路电压指明实验途径。希望通过本项目的实施，使得我国在高效率CIGS器件研究上走到世界前列。

Ga含量高于0.3的高Ga含量CuInGaSe2薄膜材料中，其光伏器件开路电压的增长出现拐点并明显落后于光吸收层禁带宽度的增长，这极大限制了太阳能电池转化效率的提升空间，电压损失的微观机制仍是目前全世界研究者面临的一个重大科学问题，在机理以及解决方案上都急需突破。针对此关键科学问题，（1）我们提出从研究CIGS中Ga反位缺陷、晶界贫铜层电子态以及KF后处理产生的KInSe2表面态等三种电子结构随着Ga组分的演变规律入手，结合纳米空间分辨的电子结构和电荷输运的测量，系统揭示Ga组分的增加对光生载流子分离和输运的影响，从而阐明高Ga组分器件中电压的损失机制。（2）在此基础上,我们将结合缺陷形成能的调控手段和晶界钝化手段，为大幅提升高Ga含量器件开路电压探索出了新的三步共蒸发工艺。（3）通过在改进的三步共蒸发法中控制In、Ga束流比来调控Cu/[In+Ga]和调控Ga/[In+Ga]的成分比例，制备了一系列Ga组分不断增大的CIGS薄膜，并在新三步法中优化Ga的组分比例和Ga的分布梯度以及温度参数，最后通过KF碱金属后处理降低了CIGS的晶界面缺陷密度，并且抑制了此处的载流子复合，使CIGS表面更加平整，晶粒起伏较小，获得高质量的结晶CIGS薄膜样品。（4）进一步优化各功能层，包括缓冲层减薄工艺等，最后使开路电压提升到797.6 mV，并获得了器件光电转换效率接近23%（22.8%）的高Ga组分CIGS电池器件。（5）通过项目实施，发表高水平研究论文28 篇，申请专利13 项，培养研究生4 名、博士后1名。通过本项目研究，我们弄清楚了高Ga组分CIGS电池的微观缺陷电子结构和开路电压/短路电流损失机理，揭示出了相应的抑制和改善机制，最终获得了高效率的高Ga组分CIGS电池器件，大大提升了我国在高效率CIGS电池领域的研发水平。