低成本喷墨打印技术制备高效率Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳电池

Cu2ZnSn(S,Se)4 （CZTSSe） has attracted great attention in the area of thin film solar cells. The record efficiency of CZTSSe solar cell is 12.6 % which is very promising to be further improved to 15 % for mass production. However, the method used to prepare the CZTSSe absorbers of the record efficiency device is spin coating which is low material utilization. Meanwhile, the toxic and explosive hydrazine was used as solvent. This is not favored for low cost and large scale production. With respect to this issue, this project will employ inkjet printing technology to deposit CZTSSe thin film absorbers, and apply them in thin film solar cells. Inkjet printing technology is a high materials utilization, environmental friendly fabrication route which is compatible with low cost roll-to-roll process for mass production. This work will focus on understanding the fundamental aspects of using inkjet printing as the fabrication process of highly efficient CZTSSe thin film solar cells. The aims of this project are to develop air stable, green and printable Cu-Zn-Sn-S inks, to understand the key issues of fabrication CZTSSe solar cells using inkjet printing and eventually to realize cost effective and highly efficient CZTSSe solar cells via inkjet printing.

Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）是当前薄膜太阳电池的研究热点，目前最高效率为12.6%，非常有希望提高到15%的工业化生产指标。然而，最高效率的CZTSSe太阳电池吸收层是通过原材料利用率较低的旋涂法制备的，且制备过程中使用了毒性较高、易爆炸的肼，不利于其低成本的大规模应用。因此，本项目拟采用喷墨打印法来制备CZTSSe薄膜太阳电池吸收层。喷墨打印技术是一种原材料利用率高、绿色环保的制造技术，并能够与卷对卷技术相结合，实现器件的大规模制造，对实现低成本太阳电池有非常重要意义。本项目将深入系统地研究喷墨打印技术在CZTSSe太阳电池领域应用的基础问题，开发出空气中稳定、绿色环保、可印刷的Cu-Zn-Sn-S墨水；探索出喷墨打印技术制备高效率薄膜太阳电池的技术要点；揭示喷墨打印技术制备CZTSSe薄膜的成膜机制。最终通过项目的研究制备出低成本、高效率的CZTSSe薄膜光伏器件。

Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）是当前薄膜太阳电池的研究热点，目前最高效率为12.6%，非常有希望提高到15%的工业化生产指标。然而，最高效率的CZTSSe太阳电池吸收层是通过原材料利用率较低的旋涂法制备的，且制备过程中使用了毒性较高、易爆炸的肼，不利于其低成本的大规模应用。针对这一问题，本项目采用了一种原材料利用率高、绿色环保、并能够与卷对卷技术相结合实现器件大规模制造的喷墨打印法来制备CZTSSe薄膜太阳电池吸收层。本项目的研究内容包括：（1）NaF的掺杂对喷墨打印制备CZTSSe薄膜的物相、晶体生长及太阳电池性能的影响；（2）研发出了基于二甲基亚砜和二甲基甲酰胺混合溶剂的、空气中稳定、可印刷的Cu-Zn-Sn-S墨水；（3）揭示了墨水中Zn/Sn比例对CZTSSe薄膜的太阳电池开路电压的调控机制，实现了太阳电池的转换效率由6.4%提升至10.0%；（4）将上述优化的墨水应用到喷墨打印中，并优化了喷墨打印的关键工艺成功制备出了9.93%的CZTSSe薄膜太阳电池。通过项目研究项目掌握了采用喷墨打印技术制备高效率CZTSSe薄膜太阳电池的关键技术要点，为后期采用该方法制备出低成本、大面积、高效率的CZTSSe薄膜光伏器件奠定了基础。