10001571_退火气氛对铜锌锡硫薄膜及太阳电池性能的影响

1 退火气氛对铜锌锡硫薄膜及太阳电池性能的影响 张毅闻 蔡亚楠 马国梁 李亚南 成佳宁 杜伟杰 （上海师范大学，物理系，上海，200234） 摘要：本文采用硒和硫的混合气体氛围对非真空法制备的铜锌锡硫预制层进行退火，研究了 退火后的铜锌锡硫薄膜及太阳电池的性能。通过控制退火过程中不同温度下的硒和硫的比例， 有效地抑制了高电阻 Mo(S,Se)2 层的厚度，并形成梯度带隙分布，提高了载流子的收集效率。 通过这一方法，得到了转换效率达到 9.1%的非真空法制备的铜锌锡硫太阳电池。 通讯作者：张毅闻 男 教授 zhang_yw@shnu.edu.cn 研究方向：半导体材料、光电薄膜、太阳电池、 关键词：铜锌锡硫；太阳电池；非真空法 1. 研究背景与内容 铜锌锡硫薄膜太阳电池作为一种组成元素储量丰富、环境友好的太阳电池近年来受到广泛 关注。非真空法是一种具有潜在应用前景的低成本制备铜锌锡硫太阳电池的工艺。目前，提高 非真空法制备的铜锌锡硫太阳电池的效率是研究热点之一[1]。促进铜锌锡硫晶粒生长的同时抑 制高电阻 Mo(S,Se)2 层的生成是提高非真空法制备铜锌锡硫太阳电池转换效率的途径之一[2]。 本文提出采用硒和硫的混合气体氛围对非真空法制备的铜锌锡硫预制层进行退火，通过控制退 火过程中不同温度下的硒和硫的比例，在有效地抑制高电阻 Mo(S,Se)2 层生成的同时，形成大 的铜锌锡硫晶粒和梯度带隙分布，提高转换效率。本文研究内容主要有： （1）采用硒和硫的混合气体氛围对非真空法制备的铜锌锡硫预制层进行退火，并对退火后 的铜锌锡硫薄膜的微观形貌进行了表征分析。 （2）制备铜锌锡硫太阳电池，分析硒和硫的混合气体氛围退火对载流子收集以及太阳电池 转换效率的影响。 2. 研究结果与讨论 2.1 铜锌锡硫薄膜的制备及微观形貌特性 图 1 硒和硫的混合气体氛围退火后的 铜锌锡硫薄膜的（a ）断面 TEM 图和（b）断面 EDS 分布图 2 图 1 是通过非真空法制备铜锌锡硫预制层，然后在硒和硫的混合气体氛围下经 600 ºC/20 min 热处理所得到的铜锌锡硫薄膜的断面 TEM 图（a）和断面 EDS 元素分布图（b） 。图 1（a ） 可以看到硒和硫的混合气体氛围退火得到致密的铜锌锡硫薄膜，其晶粒尺寸约在 1m。高电阻 Mo(S,Se)2 层的厚度约在 100nm，远小于我们先前报道的在硒气体氛围中退火得到的铜锌锡硫薄 膜（Mo(S,Se) 2 层约为 350nm） [3]，这表明硒和硫的混合气体氛围退火有助于抑制 Mo(S,Se)2 的 生成。图 1（b）表示的是铜锌锡硫薄膜的截面 EDS 元素分析曲线图。可以看出在铜锌锡硫薄 膜中形成了硒元素的梯度分布。铜锌锡硫的禁带宽度约为 1.5eV，铜锌锡硒的禁带宽度约为 1.0eV，因此伴随着硒的梯度分布的形成可以推测在铜锌锡硫薄膜中形成了梯度带隙，这有助于 载流子的收集。 2.2 铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备及转换效率 图 2 （a）580 ºC/20 min 和（b）600 ºC/20 min 退火得到的铜锌锡硫薄膜及（c）太阳电池 图 2 表示的是在硒和硫的混合气体氛围下，经 580 ºC/20 min 和 600 ºC/20 min 两个条件下 制备得到的铜锌锡硫薄膜的形貌及太阳电池的转换效率。由图 2（a）和（b）的比较可以看出 随着退火温度的升高，晶粒尺寸变大，同时 Mo(S,Se)2 层的厚度并没有发生变化[3]。这说明本 研究的方法可以在有效地促进晶粒生长的同时抑制 Mo(S,Se)2 层的生成。从图 2（c）可以看到， 对比 580 ºC/20 min 热处理得到的铜锌锡硫太阳电池，在 600 ºC/20 min 的热处理条件下得到的铜 锌锡硫太阳电池的转换效率从 6.2%增长到 9.1%。 3. 结论 本文对硒和硫的混合气体氛围退火得到的铜锌锡硫薄膜及太阳电池的性能进行了研究。结 果表明硒和硫的混合气体氛围退火能够在促进铜锌锡硫晶粒生长的同时，抑制高电阻 Mo(S,Se) 2 层的生成。断面 EDS 的表征结果表明生成了梯度带隙，这有助于载流子的收集。最终我们得 到了转换效率为 9.1%的铜锌锡硫太阳电池。 参考文献 [1] Zhou H, Hsu W, Duan H, Bob B, Yang W, Song T, Hsu C, Yang Y. CZTS nanocrystals: a promising approach for next generation thin film photovoltaics. Energy Environ. Sci., 2013, 6: 2822-2838. [2] Miskin C K, Chang W, Hages C, Carter N, Joglekar C S, Stach,E A, Agrawal R. 9.0% efficient Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells from selenized nanoparticle inks. Prog. Photovoltaics 2015, 23: 654-659. [3] Zhang Y, Satake T, Furuta K, Yin M, Sugimoto M, Suyama N, Yamada A. Nanoparticle-Based Cu2ZnSn(S,Se)4 Solar Cells With a 9.1% Efficiency Obtained by an Optimization of Sintering Process. Sol. RRL 2017, 1: 1700063.