10000910_12%的铜锌锡硒(CZTSe)薄膜太阳电池：界面态与带尾态的调控

12%的铜锌锡硒(CZTSe)薄膜太阳电池：界面态与带尾态的调控 李建军* 尤小辰 麦耀华 （暨南大学，新能源技术研究院，广州，510632 ） 摘要：铜锌锡硫硒（Cu 2ZnSn(S,Se)4）是一种新型多元化合物半导体材料，具有廉价环保 的元素组成和高于 30%的单节太阳电池理论效率，因而吸引了国内外学术界的广泛关注。 我们采用磁控溅射后硒化技术制备出吸收层带隙为 1.0 eV 左右的 Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)薄膜 太阳电池。通过精确调控 CZTSe 薄膜的组分和薄膜形貌，抑制 CZTSe 表面的二次相形成 和表面分解，显著的降低了 CZTSe 电池的界面态密度，从而有效抑制了异质结界面界面态 和吸收层内部的带尾态，将 CZTSe 电池的开路电压提高到 460 mV。此外通过调控自由载 流子浓度，增加异质结空间电荷区宽度，使 CZTSe 电池表现出优异的光生载流子收集能力， 在 0.25 cm2 的有效面积上实现了 12 %以上的光电转换效率。 关键词：铜锌锡硒（CZTSe)太阳电池；界面态；带尾态 1.研究背景与内容 目前，CZTSSe 太阳电池的最高效率达到 12.6%[1]，已展现出巨大的潜力。然而， CZTSSe 电池的开路电压损失（Eg/q-Voc）普遍在 600 mV 以上，这已成为 CZTSSe 太阳电 池进一步提高效率的主要瓶颈。较高的界面态密度引起的界面复合损失是造成 CZTSSe 开 路电压较低的主要因素之一。针对以上问题，本文的研究内容主要有： 采用溅射金属预制层和元素硒硒化的方法制备 CZTSe 薄膜，通过调控元素组分，调控 CZTSe 缺陷分布结构，通过优化硒化温度和气压等条件，调控薄膜表面物相，减少界面态 密度和薄膜的带尾态，并获得 12%以上的 CZTSe 太阳电池。 2. 研究结果与讨论 2.1 CZTSe 吸收层的表面和断面形貌 图 1. CZTSe 薄膜的：(a)表面 SEM 图，(b)CZTSe 电池断面形貌 图 1 为 CZTSe 薄膜的表面和断面 SEM 图，可以看出 CZTSe 表面晶粒较为尖锐，薄膜致 密度较高。从断面来看，薄膜厚度大约 2 微米，主要由大晶粒组成，底部晶粒较细碎。 2.2 CZTSe 电池光伏性能 CZTSe 电池的 J-V 曲线和 QE 曲线如图 2 所示，电池的光电转换效率达到 12.25%，开路 电压为 460mV，表现出优异的光伏特性。从 QE 曲线来看，电池的可见光 QE 响应在 95%左 右，吸收层带隙 Eg=1.03eV，而 PL 发射峰能量为 EPL=1.025eV，两者十分接近，这说明 CZTSe 的带尾态密度得到了显著的抑制。 图 2. (a)CZTSe 电池的 J-V 曲线, (b) CZTSe 电池的 QE 和 PL 图谱 图 3. (a)CZTSe 电池变频 C-V 测试得到的异质结载流子分布 , (b)光照下 CZTSe 电池变温 J-V 曲线， (c)电池转 换效率和 Voc 随温度的变化 图 3(a)可以看出 CZTSe 电池的的载流子浓度几乎不随频率变化，这说明电池的界面态 密度很低，从变温 J-V 测试可以看出电池的复合激活能 EA=1.02 eV,与 Eg(1.03 eV)十分接近， 这说明电池在异质结界面的复合被有效的抑制。 3.结论 本文研究了溅射后硒化法制备 CZTSe 薄膜太阳电池过程中，如何通过元素组分和硒化条件 的优化抑制异质结界面的界面态密度，以及 CZTSe 吸收层内部的带尾态，获得了 VOC=460 mV,转换效率超过 12%的 CZTSe 电池。 参考文献 [1] [1] W. Wang, M. T. Winkler, O. Gunawan, et al. Advanced Energy Materials 2014,7, 1301465 作者简介 姓名：李建军 Email: jianjunli@jnu.edu.cn 主要研究方向：CIGS 和 CZTS 等化合物薄膜太阳电池 通信地址：广州市黄埔大道西 601 号 邮政编码：510632