Advanced Functional Materials:抑制Cu2ZnSn(S,Se)4的深能级缺陷改善太阳能电池性能

锌黄锡矿结构的Cu2ZnSn(S,Se)4化合物作为薄膜太阳能电池的吸光层材料受到研究者的广泛关注。然而,其光电转换效率远低于Shockley – Queisser极限。主要原因是由于一些SnZn、CuZn的有害阳离子反位缺陷及2CuZn + SnZn缺陷团簇的存在,缩短少数载流子寿命和产生显著带尾态,从而导致开路电压损耗严重。如何抑制吸光层中 SnZn、CuZn缺陷及[2CuZn + SnZn]缺陷簇,是改善Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池光电性能的关键所在。

鉴于此,陕西师范大学刘生忠教授、田庆文副教授,河南大学武四新教授和华东师范大学陈时友教授等针对这一问题,提出了异价掺杂的策略实现了对Cu2ZnSn(S,Se)4吸光层中的不良缺陷及缺陷团簇的有效抑制。在前驱体溶液里引入适量的Ga3+,结合理论计算表明Ga3+更易占据Zn和Sn的位置,在一定程度上提高了费米能级的位置,增加了SnZn等缺陷的形成能,从而显著降低了由SnZn反位缺陷引起的复合中心数量,抑制了[2CuZn+SnZn]缺陷簇的形成及其产生的带尾态。基于这种策略,对应的光伏器件的光电转换效率由10.5%提升至12.3%,开路电压由473 mV提升至515 mV,提高了42 mV,这主要归因于Ga3+对吸光层不良缺陷的抑制作用。相关工作以“Defect Engineering in Earth-Abundant Cu2ZnSn(S,Se)4 Photovoltaic Materials via Ga3+-Doping for over 12% Efficient Solar Cells”为题发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010325)上,博士研究生杜亚超和王珊珊为论文共同第一作者。