调控晶界提高黄铜矿结构薄膜太阳能电池的转换效率

The chalcopyrite CIGS and CZTS polycrystalline thin films have been a promising materials for photovoltaic applications. A notable exception is polycrystalline CIGS solar cells,where today's cell efficiencies(～20%), outperform the best single-crystal devices (12.5%).The understanding of the natural grain boundary in chalcopyrite could lead in the future to the deliberate design of optoelectronic devices based on many low-cost polycrystalline materials. Here we tried to prepared CIGS and CZTS polycrystalline films by two ways, (solution process, particulate process). we want to systematically control the experimental conditions, form different morphology and size GB, study the relationship between the GB and power conversion efficiencies. We try to build the optimal GB,and improve the conversion efficiencies of chalcopyrite thin-film solar cells.

具有黄铜矿结构的铜铟镓硒（CIGS）和铜锌锡硫(CZTS)是目前非常重要的薄膜太阳能电池材料，其独特之处在于由多晶材料组成的器件的转换效率要高于单晶材料组成的器件的性能，故多晶晶界在其中的作用至关重要。大量的工作研究了多晶晶界为何能提高转换效率，但对于怎样通过调控多晶晶界来进一步提高转换效率却没有引起关注。本项目通过两种液相方法（溶液直接成膜、微粒印刷成膜法）制备CIGS和CZTS薄膜，通过成膜过程中以及后期的热处理时条件的调控，调节薄膜中多晶晶界，形成形貌和大小不同的多晶晶界。通过光电性能的表征，研究光生载流子在晶界上的传输性质，探究多晶晶界的差异对太阳能电池性能的影响，从而建立最佳的多晶晶界的条件，获得更高转换效率的黄铜矿结构薄膜太阳能电池。通过上述的实验设计，可以实现薄膜太阳电池的光伏增强，提高黄铜矿结构薄膜太阳能电池的转换效率。

具有黄铜矿结构的铜铟镓硒（CIGS）和铜锌锡硫(CZTS)是目前非常重要的薄膜太阳能电池材料，其独特之处在于由多晶材料组成的器件的转换效率要高于单晶材料组成的器件的性能，故多晶晶界在其中的作用至关重要。大量的工作研究了多晶晶界为何能提高转换效率，但对于怎样通过调控多晶晶界来进一步提高转换效率却没有引起关注。在本项目的资助下，项目组主要开展了以下几个方面的研究：（1） 铜铟镓硒（CIGS）、铜锌锡硫（CZTS）纳米晶的可控合成。制备采用一锅法在油相体系中以及在水相溶液中制备了铜铟镓镓硒、铜锌锡硫纳米晶，通过实验条件的控制，实现对铜锌锡硫纳米晶形貌、大小的调控，并通过相交换的方法将纳米晶表面的有机长链除去，改善了纳米晶的光电性质。(2)在前驱体溶液直接成膜方面，进行了大量有针对性的尝试。我们采用比较安全、绿色的混合溶剂取代了无水肼溶解金属铜、铟、镓、锌、锡单质或其硫化物，形成了稳定、均匀的前驱体溶液，用此前驱体溶液致密、均匀的吸收层薄膜。（3）吸收层材料薄膜的硒化方面。采用纳米晶印刷成膜法或者直接前驱体溶液涂膜法制备CIGS、CZTS薄膜，并且通过后期高温硒化处理获得高结晶性的吸收层薄膜。调控成膜溶液的性能或硒化时的温度、硒化时间、升温速率等条件，研究薄膜光电性能的变化规律。（4）CIGS、CZTS薄膜太阳能电池器件组装并进行性能表征。通过构效关系的研究，发现晶界的条件与器件性能的关系，从而探索晶界对器件性能的影响规律。取得了较高的器件转换效率，CIGS电池器件的最高效率达到13.2%，CZTS器件的效率达到11.2%。