Cu(In,Ga)Se2（CIGS）是I-III-VI組化合物半導(dǎo)體材料，具備黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，以它為吸收層的太陽能電池為CIGS薄膜太陽能電池，具備光電轉(zhuǎn)換效率高、電池穩(wěn)定性好、抗輻照能力強(qiáng)、弱光性好等優(yōu)勢。液相法制備CIGS電池實(shí)現(xiàn)了17.3%轉(zhuǎn)換效率，雖然與真空法的23.35%相比仍有一定的差距，但由于液相法制備薄膜具有成本低、原料利用率高、可以實(shí)現(xiàn)卷對卷制備等優(yōu)點(diǎn)，仍具有巨大的潛在發(fā)展優(yōu)勢。

研究表明，在GXCIGS電池的吸收層表面通常存在一層貧銅組分的有序缺陷化合物（2VCu+InCu，OVC），OVC相可以極大提高CIGS/CdS異質(zhì)結(jié)質(zhì)量，從而提升CIGS器件效率。在液相法制備薄膜中，由于無法實(shí)現(xiàn)元素在制備過程中的實(shí)時調(diào)控，很難實(shí)現(xiàn)CIGS表面OVC的可控形成。近期，河南大學(xué)武四新教授課題組通過分析OVC相的形成機(jī)理，設(shè)計了一種在吸收層表面沉積貧銅CIGS化合物的方式，利用在硒化成膜過程中Cu元素的擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)CIGS表面OVC的制備。通過控制硒化溫度以及頂層和體相前驅(qū)體薄膜的Cu/(In+Ga)化學(xué)計量，可以實(shí)現(xiàn)Cu(In,Ga)Se2表面OVC相的可控制備（圖1）。

圖1. OVC相制備過程示意圖

圖2. CIGS器件的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

通過測試分析，武四新教授課題組發(fā)現(xiàn)表面OVC相提升CIGS電池效率的原因主要來源于以下幾點(diǎn)：

（1）OVC相使CIGS表面的價帶能級位置向下移動，形成空穴往緩沖層傳輸?shù)膭輭?，YZ載流子在CIGS/CdS的復(fù)合。

（2）OVC相的形成可以有效降低界面的缺陷濃度。

（3）OVC相可以促進(jìn)載流子的分離和收集。

通過優(yōu)化OVC相含量，制備出了16.39%效率的CIGS太陽能電池，本研究工作對進(jìn)一步提升液相法CIGS太陽能電池的效率提供了新的研究思路和技術(shù)手段。

圖3  7種OVC結(jié)構(gòu)的拉曼光譜、J-V曲線和FF數(shù)

圖4 有/無OVC結(jié)構(gòu)CIGS器件的Cu元素TOF-SIMS剖面、EQE曲線、USP光譜

圖5 有/無OVC結(jié)構(gòu)CIGS器件在不同溫度下暗態(tài)J-V曲線

文章信息

這一成果以“Controllable Formation of Ordered Vacancy Compound for High Efficiency Solution Processed Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells”為題發(fā)表在Advanced functional materials上。河南大學(xué)趙云海為論文DY作者，武四新教授和袁勝杰博士為論文通訊作者

文章鏈接https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04399

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司SolarIV系列 太陽能電池伏安特性測量系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

河南大學(xué)武四新教授課題組簡介

河南大學(xué)武四新教授課題組名稱：光電功能材料以及太陽能薄膜電池。

課題組主要從事光電功能的設(shè)計、制備及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。課題組期望通過對銅基薄膜太陽能電池各部分組件先進(jìn)工藝和關(guān)鍵技術(shù)的探索和突破(薄膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計、缺陷態(tài)調(diào)控、表/界面鈍化、能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及微觀動力學(xué)研究等方面)，ZZ開發(fā)出具有高結(jié)晶質(zhì)量吸收層體相材料和優(yōu)良電學(xué)性能接觸界面的GXCZTSSe以及CIGS光伏器件并豐富其應(yīng)用領(lǐng)域。

截止目前，本課題組已承擔(dān)了各類項(xiàng)目10余項(xiàng)，其中，包括，國家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃、教育部科學(xué)技術(shù)ZD項(xiàng)目、人事部歸國留學(xué)人員 擇優(yōu)支持計劃項(xiàng)目、河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿ZD項(xiàng)目、河南省高校知識創(chuàng)新工程支持計劃等，在國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

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