Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池取得新进展:MoSe2的控制生长与电池的欧姆接触

从传统的化石能源到清洁能源,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,在Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池制备过程中,由于金属背电极Mo与吸收层Cu2ZnSnSe4之间的界面不稳定,在较高Se压下Mo背电极会被硒化生成MoSe2,使得Mo与Cu2ZnSnSe4之间不再是欧姆接触,严重制约了Cu2ZnSnSe4太阳电池的性能。为了克服MoSe2中间层的生成,国际上普遍采用在Mo和Cu2ZnSnSe4之间插入一层薄膜,如TiN薄膜,来阻挡Se与Mo的接触,控制MoSe2的生长。但是,插入的阻挡层同时会引入较高的电阻,Mo与Cu2ZnSnSe4之间依然没有实现欧姆接触。于是,如何既能实现对MoSe2中间层的可控生长,又能实现Mo背电极与Cu2ZnSnSe4吸收层之间的欧姆接触成为Cu2ZnSnSe4薄膜太阳电池领域重要的研究课题之一。

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研究小组与孙云教授合作,在采用溅射后硒化方法制备Cu2ZnSnSe4薄膜电池的过程中,通过对金属预制层硒化工艺路线的精心设计,在不插入阻挡层的条件下,利用金属预制层自身合金化生成的物相成功实现了对MoSe2的可控生长,并实现了Mo与Cu2ZnSnSe4之间的欧姆接触。相关结果发表在Advanced Energy Materials上。

在当前制备Cu2ZnSnSe4吸收层的方法中,采用磁控溅射金属靶材制备预制层,然后对其进行硒化是一种非常有效的方法。该研究小组采用磁控溅射在玻璃上溅射叠层顺序为Mo/Zn/Cu/Sn/Cu金属预制层。首先在衬底温度为300℃、Ar气氛(104Pa)中热处理20分钟,然后将衬底温度以40℃/min的速度升高到570℃,在Ar气(气压104Pa)和Se气(气压约2000Pa)的混合气氛中硒化15分钟,利用第一步热处理中生成的Cu6Sn5致密层阻挡了在第二步硒化过程中Se与Mo的接触,成功的阻止了Mo表面上MoSe2相的生成。同时,通过在第一步热处理过程中加入Se气氛,并控制其通入的条件,可实现MoSe2的可控生长。通过本项研究工作,实现了Mo背电极与Cu2ZnSnSe4之间的欧姆接触,并将电池效率从5.6%(有MoSe2层)提高到8.7%(无MoSe2层)。

相关工作得到了国家自然科学基金的资助。PL和TRPL的测试工作是在韩国西江大学物理系的Prof. H. Cheong实验室完成的。Untitled