Cu2(CdxZn1-x)SnS4/CdS异质结界面调控及其太阳电池性能研究

Cu2ZnSnS4 (CZTS) has a large optical absorption coefficient and its optical band gap is ~1.5 eV, which is suitable for solar cell absorber layer. From the view of improving quality of thin films and reducing recombination at the interface of CZTS/CdS heterojunction, ways to improve efficiency of CZTS solar cells will be explored. Firstly, to the problem of the poor quality of CZTS thin films, Cu2(CdxZn1-x)SnS4 (CCZTS) thin films with Cd element partially replacing Zn element will be fabricated to reduce intrinsic defects unfavorable to the performance of solar cell. Moreover, the influence of phase composition and micro-defects on the photoelectric performance of CCZTS thin film will be investigated. Secondly, to the problem of recombination at interface of CCZTS/CdS heterojunction, solutions of improving the band alignment of CCZTS/CdS heterojunction will be explored. Meanwhile, interface passivation in CCZTS/CdS heterojunction will be introduced to reduce interface recombination, and the mechanism of interface passivation will be investigated. By studying on the intrinsic correlation among the CCZTS film microstructure, interface property, photoelectric performance and fabrication process, this study will provide an important theoretical basis and scientific method for the development of stable and high efficiency CCZTS solar cells.

Cu2ZnSnS4（CZTS）由于具有较大的光吸收系数和接近1.5eV的光学带隙，适合用作太阳电池的吸收层。本项目从提高CZTS薄膜质量与减少CZTS/CdS异质结界面复合角度出发，探索提高CZTS太阳电池效率的途径。首先，针对CZTS薄膜质量较差的问题，本项目提出Cd元素部分取代Zn元素制备Cu2(CdxZn1-x)SnS4（CCZTS）薄膜，以减少材料内部对太阳电池性能不利的本征缺陷；并探讨相成分及微观缺陷对CCZTS薄膜光电性能的影响规律。其次，针对CCZTS/CdS异质结界面复合的问题，探索改善CCZTS/CdS异质结能带匹配的解决方案；同时在CCZTS/CdS异质结界面引入钝化层以减少界面复合，并研究异质结界面钝化的机制。通过深入剖析CCZTS薄膜微结构、界面特性、光电性能和制备工艺之间的内在关联性，为制造高效稳定的CCZTS薄膜太阳电池提供理论基础和科学方法。

Cu2ZnSnS4（CZTS）薄膜太阳电池近几年效率一直未有进一步的大幅提升，主要是深能级反位缺陷以及界面复合的问题一直没有得到较好的解决。本项目提出Cd掺杂或取代减少CuZn反位缺陷的形成，通过Cd/Zn比例的改变和界面钝化层的引入来调控异质结界面复合，从而达到提升电池性能的目的。具体研究内容总结如下：①采用微波法制备了Cd/Zn比例可调的Cu2(CdxZn1-x)SnS4（CCZTS）颗粒，并采用纳米墨水法与分子溶胶法制备了CCZTS薄膜；通过调控Cd/Zn比例、Sb元素掺杂以及硫化工艺（硫化温度、时间等），获得具有较好结晶性与光电性能的CCZTS薄膜。②利用模拟软件探索了Cd/Zn比例对CCZTS薄膜电池性能的影响规律，结果显示当Cd/(Cd+Zn)=0.3时，电池的理论效率最佳为15.61%；同时，在实验上也同样发现当Cd/(Cd+Zn)=0.3时，电池的转换效率最佳为0.72%。后续通过优化硫化工艺以及引入Sb掺杂，CCZTS薄膜太阳电池性能进一步提高至3.73%。③通过对电池进行后退火处理以及引入BaTiO3（BTO）钝化层进一步减少电池的界面复合，电池的性能也得到了大幅的提高，最终获得了5.89%转换效率的太阳电池。④在上述的研究基础上，制备了Cd掺杂的Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）柔性薄膜太阳电池，研究了Cd掺杂方式对电池性能的影响，获得了4.52%转换效率的柔性薄膜太阳电池。以上研究内容将为发展低成本的CZTS柔性薄膜太阳电池奠定基础。