二维MX2调控铜锌锡硫硒光伏电池背电极界面及其器件性能研究

Kesterite Cu2ZnSn(S,Se)4, known as CZTSSe, relies on high absorption coefficient, earth-abundant, low-cost elements, which is now considered as the most promising absorber layer candidate for thin film solar cells. Nowadays, the CZTSSe solar cell is still on a research stage because of its low conversion efficiency. One major reason for the low device performance is the chemical instability and non-ohmic rear electrode. To solve the problems of the rear electrode, this proposal will mainly focus on the following topics: (1) building the Mo/2D MX2 composite rear electrode with 2D MX2(M=Mo/W, X=S/Se) layers prepared by CVD; (2) researching the effects of the layer number, crystalline phase, intrinsic defects and grain boundary of the 2D MX2 layer on the diffusion mechanism, band structure and solar cell performance; (3) modulating the band structure of 2D MX2 layer by doping process to realize a chemical-stabile and low-resistance rear electrode. This proposal will develop a new Mo/2D MX2 composite rear electrode to improve the conversion efficiency of CZTSSe thin film solar cells.

铜锌锡硫硒(CZTSSe)的光吸收系数高，原料丰富廉价，适合作为薄膜太阳能电池吸收层材料。目前CZTSSe光伏电池仍处于实验室研究阶段，转换效率低。其中背电极的化学稳定性差及其与吸收层的非欧姆接触是导致电池转换效率低的重要原因之一。针对以上问题，本项目将开展以下研究：（1）采用化学气相沉积制备的二维MX2(M=Mo,W；X=S,Se)作为过渡层材料，结合模板转移技术，构筑Mo/二维MX2复合背电极；（2）研究二维MX2的层数、晶相、本征缺陷和晶界等因素对界面原子互扩散机制、界面能带结构及电池性能的影响，从而确定优化背电极界面的途径；（3）通过元素掺杂调节二维MX2材料能带结构，制备新型稳定低阻的复合背电极，以期达到提高太阳能电池转换效率的目的。本项目开发了新型Mo/二维MX2复合背电极，此背电极有望进一步提高CZTSSe光伏电池的转换效率，推动CZTSSe电池的发展。

铜锌锡硫硒(CZTSSe)材料具有元素丰富，无毒环保，光吸收系数高的特点，是很有发展前景的太阳能电池纳米材料。然而，由于其复杂的固有缺陷和不合适的背电极接触界面使得CZTSSe太阳能电池的转化效率相对较低。本项目为可控制备高质量的MoS2二维原子晶体，及MoS2/WS2面内异质结提供了一条新途径，为实现二维材料复合电极的范德华转移集成奠定了基础，具有潜在的应用潜力。在MoS2改性的Mo薄膜表面，溅射沉积CZTSe吸收层，CZTSe能够形成很好的柱状晶粒，可以获得优质的背电极接触，避免了CZTSe背面容易形成Sn富集区而出现孔洞和开裂情况，其机理在于，在MoS2上范德华外延生长SnS2层较容易覆盖；此外，我们还研究了GeSe/InSe和GeS/InSe范德华异质结，两者都表现出优异的电学性能；同时，在缓冲层方面本项目继续采用In2Se3作为缓冲层，研究表明使用FTO作为透明导电膜将避免由于掺杂而诱导的相变，降低并联电阻，升高漏电流。另外，我们还研究了GeSe2和GaPS4这类具有宽禁带的二维原子晶体，成功用于紫外原型光电探测器，获得了良好的器件性能，为实现宽禁带二维半导体应用奠定了基础，具有重要的科学意义和应用价值。本项目的研究成果在Advanced Materials、Advanced Science、Nanoscale等期刊上发表，项目负责人发表标注本基金资助的SCI论文8篇；申请3项国家发明专利，获得授权发明专利1项，培养研究生4名。