硫?qū)俦∧ぬ柲茈姵匾蚱涞统杀?、帶隙可調(diào)和高輸出性能而進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，元素含量豐富的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)是將CIGS中稀有貴金屬In和Ga用元素Zn和Sn替換，不僅與CIGS有著相似的結(jié)構(gòu)和光電學(xué)性能，也具備獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、無毒害等。

由于鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)材料的相區(qū)較窄，通常使用貧銅組分的吸收層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來避免雜相產(chǎn)生。雖然貧銅結(jié)構(gòu)的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)器件實(shí)現(xiàn)了較高的記錄效率，但由于該結(jié)構(gòu)準(zhǔn)中性區(qū)電荷傳輸能力較差且背界面電荷復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致性能進(jìn)一步提升的空間有限。相對而言，富銅結(jié)構(gòu)的吸收層具有良好的電荷傳輸性能，可以彌補(bǔ)貧銅吸收層的不足。然而，其表面費(fèi)米能級釘扎及電荷復(fù)合較大，引起的器件性能衰減更加嚴(yán)重。

河南大學(xué)武四新教授課題組基于貧銅組分在前界面以及富銅組分在背界面的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種三層（大晶粒/小晶粒/大晶粒）的銅梯度吸收層結(jié)構(gòu)，底部銅含量較高而表面銅含量較低。較高的銅濃度可以增加載流子濃度，通過構(gòu)筑載流子濃度梯度改善電荷傳輸驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，高銅組分可以使吸收層價(jià)帶上移，降低空穴的注入勢壘，從而降低背界面復(fù)合。頂部的貧銅結(jié)構(gòu)減緩了表面的費(fèi)米能級釘扎并有利于界面能帶彎曲的保持。ZZ，銅梯度吸收層優(yōu)良的電學(xué)性能使器件效率達(dá)到12.54%，對于后續(xù)銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池的界面性能改善及吸收層結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義。

硫?qū)俦∧ぬ柲茈姵匾蚱涞统杀?、帶隙可調(diào)和高輸出性能而進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，元素含量豐富的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)是將CIGS中稀有貴金屬In和Ga用元素Zn和Sn替換，不僅與CIGS有著相似的結(jié)構(gòu)和光電學(xué)性能，也具備獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、無毒害等。

由于鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)材料的相區(qū)較窄，通常使用貧銅組分的吸收層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來避免雜相產(chǎn)生。雖然貧銅結(jié)構(gòu)的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)器件實(shí)現(xiàn)了較高的記錄效率，但由于該結(jié)構(gòu)準(zhǔn)中性區(qū)電荷傳輸能力較差且背界面電荷復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致性能進(jìn)一步提升的空間有限。相對而言，富銅結(jié)構(gòu)的吸收層具有良好的電荷傳輸性能，可以彌補(bǔ)貧銅吸收層的不足。然而，其表面費(fèi)米能級釘扎及電荷復(fù)合較大，引起的器件性能衰減更加嚴(yán)重。

河南大學(xué)武四新教授課題組基于貧銅組分在前界面以及富銅組分在背界面的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種三層（大晶粒/小晶粒/大晶粒）的銅梯度吸收層結(jié)構(gòu)，底部銅含量較高而表面銅含量較低。較高的銅濃度可以增加載流子濃度，通過構(gòu)筑載流子濃度梯度改善電荷傳輸驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，高銅組分可以使吸收層價(jià)帶上移，降低空穴的注入勢壘，從而降低背界面復(fù)合。頂部的貧銅結(jié)構(gòu)減緩了表面的費(fèi)米能級釘扎并有利于界面能帶彎曲的保持。ZZ，銅梯度吸收層優(yōu)良的電學(xué)性能使器件效率達(dá)到12.54%，對于后續(xù)銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池的界面性能改善及吸收層結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義。

圖1 CZTSSe前驅(qū)體薄膜沉積過程示意圖和電荷轉(zhuǎn)移過程

圖2 不同Cu濃度CZTSSe電池PV性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖、J-V曲線、EQE曲線、掃描電鏡圖和載流子濃度比值

圖3 不同Cu濃度CZTSSe電池EBIC圖像、歸一化強(qiáng)度曲線和TEM成像和EDS mappings

圖4 吸收層前表面和背表面的UPS光譜、能帶排列和EIS奈奎斯特圖

文章信息

這一成果以“Local Cu Component Engineering to Achieve Continuous Carrier Transport for Enhanced Kesterite Solar Cells”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。河南大學(xué)趙越超和趙祥云為論文共同作者，武四新教授和寇東星副教授為論文的通訊作者。

文章鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21008。

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “SCS100” 系列光電化學(xué)電池量子效率測試系統(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(jì)、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(jì)、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(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)創(chuàng)新工程支持計(jì)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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