溶液法制备Cu2ZnSnS4纳米晶体薄膜太阳能电池

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is one of the most promising absorber layer materials for low cost thin film solar cell. CZTS has a suitable optical bandgap of 1.5 eV and a large absorption coefficient. Futhermore, the constituent elements of CZTS are abundant and therefore low-cost non-toxic elements. In this proposal, we will try to develop a a solution process for fabricating inorganic Cu2ZnSnS4 thin film solar cell. The whole project includes the liquidation of the inorganic Cu, Zn, Sn, S precursors; fabrication of solar cells and solar cell performance charaterizations. Firstly,some suitable short organic ligands and solvents will be selected to dissovle the Cu, Zn, Sn and S inorganic precursors, and then form stable precursors solutions. The resulted solution will be spun coated (or sprayed, printed…)on subtractes like ITO glass or Molybdenum panel to form a precursors (monomers) thin film. Under mild heating, the monomers (precursors) film will be converted to inorganic nanocrystals thin film, further heating at higher temperature can form bulk thin film Cu2ZnSnS4. Use a similar way, a second layer of N-ype semiconductor (CdS,ZnO, ZnS...) can be deposited on the top of Cu2ZnSnS4. After deposition of metal contact, the performance of solar cell device will be characterized by PCE, IPCE, SEM,TEM and so on. We hopefully could develope a new solution process for the inorganic thin film solar cell with this project, and also we will try to investigate the correlations between materials structure, compositions, crystallines and the performance of the resulted devices.

以 Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳能电池为研究对象，研究一种普适的溶液法制备无机太阳能电池的方法。基于量子点的溶胶法合成知识，选择合适的短链有机配体和溶剂，将铜、锌、锡和硫无机物前驱体溶解并形成稳定的反应前体溶液，旋转涂制（印刷、喷雾）此溶液于基材，所形成的前驱体薄膜在较温和的条件下加热分解形成Cu2ZnSnS4纳米晶体薄膜（更高温度加热可获得结晶度更高的体材薄膜）。希望通过对材料合成和器件制备各环节的实验研究，探索出反应条件、材料成分、结构、结晶度等因素对材料能带结构和电池性能的影响规律。优化太阳能电池结构，最终获得较高太阳能光转换效率。为我国溶液法制备太阳能电池的研究提供新的思路，推动我国溶液法制备太阳能电池技术的发展。

目前，半导体纳米晶（或者量子点）由于其具有可调谐的禁带宽度和光电性能，在新型光电子或者能源器件领域有非常重要的应用前景。其中，以铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）为代表的多元硫族化合物纳米晶在大面积高效率薄膜光伏领域尤其得到了广泛关注。本课题在国家自然科学基金的资质下，进行了硫族化合物纳米晶的可控合成、纳米晶及薄膜光伏器件的制备及其性能评价等研究，并取得了一系列重要进展。第一，在基金支持下，我们完成“纳米材料合成实验室”的建设，搭建了一整套关于纳米材料合成及其光谱表征的系统，为纳米晶及其薄膜光伏器件的制备奠定了基础；第二，我们完成“光电器件制备和性能测试实验室”的主体建设；第三，在此基础上进行了一系列基于溶液法制备薄膜光伏器件的研究工作；第四，在我们的纳米材料合成及表征平台的基础上，拓展了本项目之外的一系列关于纳米晶的合成及其在新能源和环境污染物治理中应用等研究工作，取得了不错的效果。.在过去的四年中，我们总共发表了标注本项目的SCI检索论文16篇，其中影响因子大于10的2篇，影响因子大于5的有11篇，包括：J. Am. Chem. Soc. 2篇，J. Mater. Chem. A 2篇，Appl. Catal. B-Environ. 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces 3篇，Chem. Commun. 1篇，Chem. Eng. J. 1篇，ACS Sustainable Chem. Eng. 1篇。申请专利12项（包括PCT专利2项），国际会议邀请报告5次，国内会议邀请报告2次。项目负责人李良研究员 2013入选年教育部“新世纪优秀人才计划”。