镁掺杂对铜锌锡硒薄膜太阳能电池性能的影响

This project proposes that Zn2+ ions are substituted partially by Mg2+ ions to restrain the unfavorable defects in the Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) compound, optimizing its optoelectronic properties. Mg-doping is useful to fabricate V-type band gradient of CZTSe absorber layer, which would improve the performance of CZTSe solar cells further. Based on the quartz substrate, we have preliminarily studied the effects of Mg-doping on the lattice parameters of CZTSe crystal grains, the morphology of CZTSe thin films, and its effective hole-carrier concentration. Next, the effects of Mg-doing on the performance of the CZTSe devices will be studied systematically. The novelties of this project are as follows：(1) Due to its advantages of non-toxic, environmental-friendly, and earth- abundant element, Mg2+ ions can partially replace Zn2+ ions, helpful for restraining the unfavorable defects of CuZn in the CZTSe compound, optimizing its optoelectronic properties; (2) CZTSe thin films possessed various band gradients can be prepared via Mg-doping, and CZTSe absorber layer with the optimal V-type band gradient can be constructed, obtaining the photoelectric conversion efficiency over 11% of the devices.

本项目拟通过Mg2+离子部分取代Zn2+离子来抑制铜锌锡硒（Cu2ZnSnSe4,简称CZTSe）材料中有害缺陷的产生，改善该材料的光电性能；通过引入Mg2+离子构造具有能带梯度的CZTSe吸光层，提高CZTSe电池的性能。在石英衬底上，我们初步研究了Mg2+掺杂对Cu2ZnSnSe4晶体晶胞参数、薄膜形貌以及薄膜载流子浓度的影响。下一步我们将系统地研究Mg2+掺杂对CZTSe薄膜太阳能电池性能的影响。本项目的创新之处：(1) 利用低毒、环保、地壳元素含量丰富的Mg2+部分取代Zn2+，有利于抑制CZTSe材料中CuZn不良缺陷的产生，改善材料的光电性能；(2) 通过Mg2+掺杂制备有能带梯度的CZTSe薄膜，构建出具有最佳“V”型能带结构的CZTSe吸收层，实现电池的光电转换效率超过11%。

铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S,Se)4,简称 CZTSSe）薄膜太阳能电池因其独特的优势被认为是更适合于未来大规模的工业化生产的一类电池。在本项目，我们通过Mg2+离子部分取代Zn2+离子来抑制CZTSSe材料中有害缺陷的产生，改善该材料的光电性能，优化相应电池器件性能，并取得的一系列成果：（1）优化硫醇溶液体系，在大气环境下制备铜锌锡硫硒薄膜，发现阳离子（Mn2+、Co2+）的微量加入能促进晶体晶粒的生长，也能提高薄膜的载流子浓度；（2）Mg2+离子的加入能改变铜锌锡硫硒材料的晶胞结构和禁带宽度，也能提高其薄膜的电学性能，并将电池器件的最高效率从6.64%（x=0）提高到7.76%（x=0.0357）。（3）Ca2+离子不能与铜锌锡硫硒材料形成合金相，但也能提高其薄膜的电学性能。同时，我们也研究采用短链配体制备CH3NH3PbBr3钙钛矿量子点以及利用短链配体优化CH3NH3PbBr3钙钛矿薄膜性质等工作。本项目执行期间共发表高质量的学术论文10篇，培养硕士毕业生3名。