介质纳米结构增强超薄铜铟镓硒(CuInGaSe2)太阳能电池光电性能的研究

Ultrathin CIGSe solar cells are able to effectively lower the manufacturing cost by thinning the absorber thickness from typical 2-3 μm to below 500 nm, because it can reduce material consumption (especially for the rare Indium). However, high efficiencies of ultrathin CIGSe solar cells are presently restrained due to incomplete absorption and back recombination. To achieve high efficiencies of ultrathin CIGSe solar cells, it is essential to simultaneously solve the issues of incomplete absorption and back recombination. In this proposal, we will employ the simple nanosphere lithography method to fabricate an innovative nanostructure, which integrates the functions of light absorption enhancement and interface passivation. This nanostructure is a reverse structure of nanoparticles, whose point-contact feature is able to passivate the interface defects and the multi-layer system improves interface reflectivity in a greater magnitude for a broader wavelength range. More remarkably, the structure can nanostructure the absorber as well, which allows the absorber itself acting as light trapping elements and exhibiting light trapping effects for absorption enhancement. The effects of geometry parameters, multilayer combination and internal charge of the nanostructure on the performance of ultrathin CIGSe solar cells will be comprehensively studied both in theoretical simulations and experiments for an optimum efficiency enhancement.

超薄铜铟镓硒（CuInGaSe2，简称CIGSe）太阳能电池吸收层的厚度从传统的2-3微米降低到500纳米以下，能减少原材料（特别是稀有元素In）消耗从而达到降低制造成本的目的。但光吸收不足和载流子背复合两个因素限制了超薄CIGSe太阳能电池取得高效率，所以同时解决光吸收不足和载流子背复合问题对得到高效率超薄CIGSe太阳能电池显的尤为必要。本项目拟利用简单方便的纳米球刻蚀方法制备一种能同时钝化界面和增强光吸收的纳米结构。此纳米结构不仅兼具点接触结构特征可以钝化界面缺陷降低复合，而且多层结构能在更宽波长范围内更大程度提高背界面反射率。除此之外，此结构还能够使吸收层本身形成纳米结构产生陷光作用进一步提高光吸收。本项目将综合理论模拟和实验手段对所研究纳米结构的几何尺寸，多层膜组合，内部电荷对超薄CIGSe太阳能电池的光电性能的影响进行系统的研究，探寻电池的最优光电性能增强。

超薄铜铟镓硒（CIGSe）太阳能电池具有大幅降低稀有元素消耗和制造成本的潜力，但是由于光吸收不足和背复合导致其效率无法与厚电池相比拟。本项目重点研究了在ITO基底上超薄太阳能电池性能优化以及背界面介质纳米点接触结构对电池性能影响的规律和机理。研究发现后处理掺杂Na比前驱体方式更能提高超薄CIGSe电池的性能，这主要是由于前驱体Na掺杂更容易导致界面GaOx的生成，阻碍电池性能的提高。同时发现2 mg的NaF是最优的后处理掺杂量，取得了目前报道在透明基底上CIGSe电池的最高效率12.9% （无减反层，无背反射层）。更为重要的是实验证明了在ITO基底上的CIGSe电池的效率可以跟Mo基底上电池的效率相当，突破了以往认为ITO基底上效率会低于Mo基底上CIGSe电池。为了实现点接触结构的插入，项目基于（微）纳米球刻蚀方法开发了介质纳米点接触的制备技术，尺寸范围可以从几百纳米到十几微米，灵活可控并且易大面积化。除了应用在CIGSe电池上实验界面钝化外，此结构还被应用在微聚光CIGSe太阳能电池吸收层的制备中，已经在实验中得到了初步的验证。研究发现，SiO2点接触结构对ITO基上的超薄CIGSe电池有双重电学效应。一方面是已经广泛验证的降低光生载流子复合（有利），另外一方面因为ITO基上的超薄CIGSe电池有背势垒Shottky接触的存在，首次发现点接触结构能够阻碍空穴向背接触的传输,从而降低电池的性能。对ITO基上的超薄CIGSe太阳能电池而言，因为负面效应大于有利效应，导致点接触结构会降低ITO基上的超薄CIGSe太阳能电池的性能。这与传统在Mo基CIGSe太阳能电池上的结构完全相反。理论和实验都证明，点接触结构增加空穴传输难度的原因是因为减少了背复合，进而增加了肖特基背接触的势垒。