铜锌锡硫薄膜太阳能电池中界面复合对开路电压影响的研究

This project will aim at the present situation of the low open-circuit in Cu2ZnSnS4 thin film solar cell and focus on the influence of carrier recombination on the Voc at different interface (PN junction interface, grain boundary interface and the contact interface between Mo electrode and absorption layer. We will carry out the research with the following apects: 1)Changing the composition of the buffer layer to optimize the band alignment with the absorption layer., and building the electron barrier to reduce the recombination at PN junction interface; 2)Analyzing the band structure around the grain boundary and investigate the mechanism of recombination ;3)Passivating the gain boundary by doping and finding the method to build hole barrier and reduce interface recombination with conductive band bending; 4) Designing the band gradient in the depth of absorption layer, Forming the potential difference from the back electrode to the surface of the absorption layer to reduce the recombination and increase the charge collection. We hope to reveal the physical mechanism of low efficiency of CZTS thin film solar cell and guide the development their fabrication progress with the carry on of this project.

本项目将针对CZTS等锌黄锡矿结构薄膜光伏器件中开路电压较低的现状开展研究，重点关注器件中不同界面（PN结界面、吸收层内的晶界面和背电极与吸收层接触界面）的载流子复合行为对开路电压的影响。拟开展以下几个方面的工作：1）通过改变缓冲层的组分来优化与吸收层的能带匹配，建立电子势垒减少PN结界面复合；2）分析晶粒晶界面的能带结构，探讨晶界面复合的微观机制；3）通过掺杂的方式对晶界面进行钝化，找到使价带在界面处向下偏转形成空穴势垒的途径来减少晶界面复合；4）通过吸收层整体在深度上的能带梯度设计，形成从背电极往表面的反向电势差，阻止电子向背电极的扩散，增加电荷收集，减少底部界面处的复合。通过本项目的开展，希望能揭示CZTS 薄膜太阳能电池低效率的物理机理，并以此机理为指导，为优化CZTS薄膜生长工艺指明方向。

本项目将针对器件中开路电压较低的现状开展研究，重点关注器件中不同界面（PN结界面、吸收层内的晶界面和背电极与吸收层接触界面）的载流子复合行为对开路电压的影响。拟开展以下几个方面的工作：1）通过改变缓冲层的组分来优化与吸收层的能带匹配，建立电子势垒减少PN结界面复合；2）分析晶粒晶界面的能带结构，探讨晶界面复合的微观机制；3）通过掺杂的方式对晶界面进行钝化，找到使价带在界面处向下偏转形成空穴势垒的途径来减少晶界面复合。4）通过吸收层整体在深度上的能带梯度设计，形成从背电极往表面的反向电势差，阻止电子向背电极的扩散，增加电荷收集，减少底部界面处的复合。. 通过本项目的开展，我们取得了以下成果：a）薄膜中Sn和Zn组分的变化能够影响到能级波动的变化。Sn含量减少可以提升器件的开路电压和填充因子，从而提升器件的光电转换效率；在富锌的样品中，抑制了深能级的CuZn反位缺陷，导致开路电压与器件效率都得到了提高。b）在CZTS中Cd元素的掺入也有利于抑制深能级缺陷CuZn反位缺陷的形成，大大减少载流子界面复合的产生。c）通过ALD方法制备了Zn(S,O)无镉缓冲层，研究表明Zn（SO）缓冲层可以提高耗尽层深度，可以在适当比例下提高开路电压20 mV左右。d）通过扫描探针技术测量了CZTS晶体内部和晶界面附近的能带结构，发现CZTS晶界处导带向下偏转而价带向上偏转，这增加了载流子在晶界处的复合并降低了器件的光电转换效率；进而通过空气中退火，在晶界面形成高禁带宽度相，可以改善晶界处的能带结构，降低载流子复合。. 通过以上研究，我们最终制备Cd掺杂的CZTS光伏器件光电转换效率达到12.3%，接近了当前效率世界纪录的12.6%。此外本项目实施发表期刊论文3篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生3名。