Small:大晶粒贯穿铜锌锡硒薄膜生长

铜锌锡硫硒(CZTSSe)薄膜太阳电池由于其组成元素丰富环保、光电性能出色等优点而引起了广泛的关注。目前CZTSSe薄膜电池的光电转换效率还远低于铜铟镓硒和碲化镉等已经商业化的薄膜电池。除了丰富且复杂的本征电子缺陷之外,吸收层上下分层、底部孔洞和碎晶粒等非理想形貌也是长期以来限制CZTSSe太阳电池光电转换效率的一个重要因素。这些非理想形貌结构导致太阳电池严重的准中性区载流子非辐射复合,从而显著降低光电流,并且也有可能对空穴收集产生障碍。

近期,新南威尔士大学郝晓静、李建军等在铜锌锡硒薄膜太阳电池光吸收层材料生长及形貌调控方面取得了新进展。论文作者认为基于金属预制层生长的铜锌锡硫硒薄膜,其上下分层、底部孔洞和碎晶粒等非理想形貌的产生是由于材料反应过程中上层固—气反应和底部液—气反应速率的不平衡,以及晶粒生长过程中反应形核速率与元素扩散速率之间的不平衡导致。该研究工作通过对衬底温度和反应气氛的独立控制来实现材料生长过程的调控:通过降低硒化起始温度抑制了底部液态金属相的形成;通过降低硒化过程中的衬底升温速率与硒分压,降低了晶粒生长过程中反应和形核速率,并促进元素互扩散,从而获得了大晶粒贯穿的理想形貌。器件性能测试分析结果表明,虽然该形貌优化工艺引入了更多的表面缺陷,仍然需要进一步优化,但形貌优化后的太阳电池的光电流得到了显著的提高,其背界面空穴传输也表现为理想的准欧姆接触。这些结果为进一步提高CZTSSe太阳电池光电转换效率奠定了基础。

上述研究工作得到了此研究工作得到澳大利亚研究理事会(ARC Future fellow), 澳大利亚可再生能源局(ARENA),及澳大利亚先进光伏研究中心 (ACAP fellow)的资助和支持。

论文信息:

Large-Grain Spanning Monolayer Cu2ZnSnSe4 Thin-Film Solar Cells Grown from Metal Precursor

Jianjun Li*, Jialiang Huang, Jialin Cong, Yaohua Mai, Zhenghua Su, Guangxing Liang, Ao Wang, Mingrui He, Xiaojie Yuan, Heng Sun, Chang Yan, Kaiwen Sun, Nicholas J. Ekins-Daukes, Martin A. Green, Xiaojing Hao*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105044

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202105044