superstrate结构铜锌硒硫太阳电池制备中的关键科学问题研究

The key to fabrication of thin film solar cells is to search methods with low-cost、high quality、safety、large-area depostion. Our innovation is to fabricate superstrate sturcture Cu2ZnSnS4 solar cells with non-vaccum method through top-down design. We developed a benign strategy without toxic selination and expensive raw materials,and designed the most suitbale device sturcure.Synergic crystallization by ion-induced and rapid thermal process(RTP) and device interface energy level match are the key scientific problems in our porject. Deep understanding the relationship between electron structure and perfomance of device, searching for the key factors that influence the efficiency of device, will help to improve the power change efficiency (PCE) of the Cu2ZnSnS4 solar cells. This project will contribute to deeply understand the crystallization of thin films and semicondutor device interface band alignment, which will expand a new area of other semiconductor thin films and device fabrication,and will contribute the industrialization of Cu2ZnSnS4 solar cells in the future.

薄膜太阳电池制备的关键是寻找低成本、高质量、安全、适合大面积制膜的方法。本项目从Cu2ZnSnS4太阳电池的源头上进行创新。使用原料廉价、工艺简单的非真空化学方法，不通过有毒的硒化处理过程，制备出superstrate结构的Cu2ZnSnS4太阳电池。通过数值模拟与实验交替验证研究其中的关键科学问题，力图揭示离子诱导与快速退火协同效应对Cu2ZnSnS4薄膜晶体生长的影响变化规律、界面能带排列对电池效率影响的变化规律。 在此基础上深刻认识器件的电子结构与器件性能的相互关系，最大程度提高器件的光电转换效率。该项目的实施对深入认识薄膜材料晶化、半导体器件界面电子结构具有较大的科学意义，并且可以延伸到其它化合物半导体薄膜材料及器件的制备领域，也对未来CZTS系列太阳电池的产业化具有重要的实用价值。

目前，CZTS基薄膜太阳能电池的光电转换效率陷入停滞，原因之一是substrate结构的CZTS基薄膜太阳能电池可能在器件结构上存在问题。对此，本项目另辟蹊径，通过构建superstrate结构的CZTS基薄膜太阳能电池进行探索。取得如下成果：（1）发展了甲醇基溶液的方法制备硫属化合物薄膜前驱体，通过自行搭建的精密喷雾热解装置，制备了系列硫属化合物薄膜；（2） 采用喷雾热解的方法制备了superstrate结构的CZTS薄膜电池；（3）解决了薄膜太阳能电池在硫化/硒化条件下失效的难题（如：FTO经过高温硫化/硒化后失效），发现超过一定厚度的Al膜及其它金属膜有较好的抗高温硫化/硒化性能，此发现可用于需要抗高温硫化/硒化的材料或器件制备领域；（4）采用分子前驱体溶液法，通过保护FTO及选择合适的缓冲层（如：TiO2），经过旋涂硒化处理，成功制备了superstrate结构的CZTSSe薄膜太阳能电池。受本项目资助，目前共计发表文章专利十余篇，培养硕士生8名，已毕业6人，完成了项目预期目标。本项目的成果具有一定的原创性，可为制备superstrate结构的薄膜太阳能电池或其它器件提供了新的途径，为研究化合物薄膜太阳能电池的同行提供借鉴。