Solar RRL:大气氛围绿色水溶液法制备Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池

铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4简记为CZTSSe)化合物归属于I2-II-IV-VI4族。锌黄锡矿型的CZTSSe作为新能源半导体材料的一种,因其具有如下几点优势而备受科研工作者的青睐:首先,组成元素均为地壳中丰产元素;其次,属于直接带隙半导体,与太阳能电池的最佳带隙非常接近,带隙可以在1.0~1.5 eV之间调节;光吸收系数超过104 cm-1。因此,各国科研人员将CZTSSe视为无机薄膜太阳能电池最理想的吸光层材料之一。截至目前,制备CZTSSe太阳能电池最成功的工作是Mitzi等采用肼基溶液法制备的CZTSSe太阳能电池,获得了认证12.6%的最高光电转换效率。然而,由于肼溶液具有极毒及易爆炸的性质,制备过程需要在密闭及惰性气体保护的条件下进行,这对周围环境、操作者的健康及大面积薄膜制备是极为不利的。

最近,陕西师范大学刘生忠教授和河南大学武四新教授等人采用绿色环保的硫代乙醇酸铵水溶液(TGAm)作为溶剂制备CZTSSe太阳能电池。通过优化和调整金属源的溶解顺序而得到非常稳定的CZTSSe前驱体溶液,他们发现将此改善的前驱体溶液在大气氛围下旋涂/烧结和在具有氩气保护的手套箱里旋涂/烧结具有一样的效果。采用这种创新的制备技术不仅简化了操作程序,而且极大地降低了制备器件所需要的昂贵设备成本及其所产生的耗材费用。与其他的长链烷基硫醇相比,TGAm具有与金属离子更强的配位能力,这是它能够溶解一系列金属氧化物及金属单质的关键所在。更为重要的是,在工业上,TGAm被广泛地应用于生物制药;在化妆品行业中,它被用作卷发剂和营养液,并起定型作用,这说明TGAm水溶液具有特别优良的生物兼容性。研究者采用低量的Ag (x = 2%)掺杂在CZTSSe前驱体溶液中,通过在大气氛围中烧结,从而形成均一的(Cu1-x,Agx)2ZnSn(S,Se)4 (CAZTSSe)吸光层材料。基于此,制备的电池光电转换效率从5.86%提高到了7.38%。

研究者相信在不久的将来,一旦限制CZTSSe器件效率的瓶颈因素被科学家们成功解决,这种廉价的,绿色环保的和简易的合成路线一定会成为制备CZTSSe光伏器件的最好选择。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI:10.1002/solr.201800233)上。