10001271_应用DMF溶剂精确调节元素成分配比制备高效CZTSSe薄膜太阳电池

应用 DMF 溶剂精确调节元素成分配比制备高效 CZTSSe 薄膜太阳电池 栾红梅 1,2，姚斌 1,2,*，李永峰 1,2,*，丁战辉 2 1. 吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室，长春 130012；2. 吉林大学物 理学院，长春 130012 * binyao@jlu.edu.cn ；liyongfeng@jlu.edu.cn 摘 要：本论文分别以二甲基亚砜(DMSO)和二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂，采用低成本、制备工艺简 单的溶胶凝胶法，经过热硒化处理，制备以 CZTSSe 薄膜为吸收层的薄膜太阳电池并给出其 J-V 特性 曲线如图 2（a） 。通过比较两种电池的电池性能，DMF 作为溶剂制备的器件（文中将其简称为 n1） 充分展现出其优越性，但对比于其他课题组较高的光电转换效率薄膜太阳电池还需要进一步研究 [1,2]。 基于以上分析，我们制备 4 种不同元素成分比例的铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜（n1-n4 ） 。结合电池 截面图（图 1）和元素配比表 Table 1 发现，Cu、Zn、Sn 三种元素配比可直接影响吸收层的成膜质量。 图 2(b)为不同成分配比的 CZTSSe 薄膜制备出的太阳电池 J-V 特性曲线，可见 n2 样品的元素成分配 比最佳，对应的电池参数为 Jsc=36.70 mA/cm2, Voc=0.417 V, PCE=8.0%, FF=52.27%。对比薄膜表面及 电池截面图，可知影响薄膜电池转换效率的主要因素为吸收层晶体内部致密性、背电极接触以及调 节元素配比后电池电学参数的改变，提高吸收层晶体质量可减少载流子复合、减少界面问题从而提 高电池效率。 图 1、n1(a) 、n2(b)、n3(c)、n4(d) 分别为相应的电池截面图 。 Table 1 为样品 n1-n4 的元素成分表 Sample（At% ） Cu Zn Sn S Se Cu/(Zn+Sn) Zn/Sn n1 19.25 14.75 11.32 3.24 51.43 0.74 1.30 n2 20.72 14.90 12.83 3.66 47.89 0.75 1.16 n3 18.86 14.36 11.39 2.92 52.47 0.73 1.26 n4 18.97 13.63 11.52 2.68 53.19 0.75 1.18 图 2(a)为分别用 DMSO 和 DMF 为溶剂制备的 CZTSSe 薄膜电池的 J-V 特性曲线及电池特性;(b) 样 品 n1-n4 的 J-V 特性曲线。 Table 2 DMSO 和 n1(DMF)~n4 样品电池参数和电学参数。 Sample Jsc(mA/cm2) Voc(V) PCE FF% Rs Rsh G/(mS/cm2) A Jo/(mA/cm2) DMSO 29.65 0.372 4.42 40.07 3.12 347.2 2.88 2.95 0.23 n1 （DMF ） 32.78 0.340 5.12 45.94 1.52 359.7 2.78 2.6 0.22 n2 36.70 0.417 8.00 52.27 1.49 520.8 1.92 2.34 0.04 n3 35.23 0.400 7.31 51.87 1.63 581.4 1.72 2.44 0.07 n4 32.90 0.367 5.69 0.471 1.80 456.6 2.19 2.52 0.13 [1] Li J, Wang H, Luo M, et al. 10% Efficiency Cu2ZnSn(S,Se)4 thin film solar cells fabricated by magnetron sputtering with enlarged depletion region width[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2016, 149: 242-249. [2] Xin H, Katahara J K, Braly I L, et al. 8% Efficient Cu2ZnSn(S,Se)4Solar Cells from Redox Equilibrated Simple Precursors in DMSO[J]. Advanced Energy Materials, 2014, 4(11): 1301823.