Solar RRL:以Zn(O,S)为缓冲层的绿色、低价Cu2ZnSnSe4电池取得重要进展

不同于化石能源,作为清洁能源的薄膜太阳电池正在扮演着越来越重要的角色。锌黄锡矿结构(kesterite)的Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池作为可再生能源领域的一种重要电池,具有光吸收吸收高、带隙与太阳光匹配、理论转换效率高、材料储备丰富和价格低廉等优点,引起了光伏科学家的广泛关注。然而,目前的Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池基本都是使用CdS做缓冲层。为了实现环境友好、无毒,急需用其它缓冲层材料替代CdS。Zn(O,S)作为一种带隙可调的n型半导体材料,在CIGS电池中得到了很好的应用,研制的电池效率超过22%。但是Zn(O,S)被在Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池中做缓冲层,其转换效率基本均在5%左右,远低于以CdS为缓冲层的电池效率。因此,如何提高以Zn(O,S)为缓冲层的Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池的效率对于开发纯绿色、价格低廉的Cu2ZnSnSe4电池就非常重要。

基于对该问题的持续努力,最近南开大学光电子薄膜器件与技术研究所张毅教授课题组采用化学水浴法制备Zn(O,S),开发了一种有效的界面处理方法,改善了Cu2ZnSnSe4与Zn(O,S)的异质结能带结构,显著提高了器件的转换效率。

在用化学水浴法制备完Zn(O,S)后,他们用浓氨水和150℃真空热处理等工艺分别对制备的缓冲层进行处理,将样品中的ZnO和Zn(OH)2消除掉,极大的改善了该电池的异质结界面质量,调整了异质结的能带分布。同时,TEM分析表明,所制备的Zn(O,S)的厚度只有10nm左右,而且对Cu2ZnSnSe4的包覆性很好。通过优化工艺条件,制备出效率为7.21%的绿色无Cd的Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池。变温I-V测试分析表明,虽然Zn(O,S)与Cu2ZnSnSe4的导带带阶超过1eV,但是光生载流子可以通过靠近费米能级的缺陷来辅助传输,从而实现了对光生载流子的高效收集。

相关结果近期以封面文章发表在Solar RRL上(DOI: 10.1002/solr.201770135)。博士生李建军(现为暨南大学副研究员)和硕士生刘晓茹为共同第一作者。

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