新型陷光、输运结构的设计和控制对铜锌锡硫(硒)太阳能电池光电特性的综合影响研究

Copper zinc tin sulfide(selenide)[CZTS(Se)] photovoltaic material is considered to be a promising new energy material. This project intends to use atoxic elements with abundant resources, such as Zn, Sn, S, to completely or partly replace toxic elements, such as In, Se, Ga, in Copper indium gallium selenide(CIGS) material. Then, environmentally friendly and low cost CZTS(Se) photovoltaic materials will be grown by LMBE technology. In the project, a novel structure will be designed based on the successful optimization of novel ZnS, MnS functional layers by reference to the current conventional CZTS(Se) cell structure. In the structure, the optical-properties coupling of multilayer films, such as the the antireflection layer, the window layer, buffer layer and CZTS(Se) graded absorption layer, will be fully considered. The new light-trapping and carrier-transport structure will be investigated systematically. The characteristic parameters of the corresponding function layers will be optimised. Meanwhile, the light transmission model and photogenerated-carrier collection, transport model will be considered together comprehensively. Finally, the project will develop a novel CZTS(Se) solar cell(SC) with the photovoltaic performance superior to a conventional CZTS(Se)SC under AM1.5 conditions, which includes the open circuit voltage, short-circuit current, fill factor, etc. During the project, new features of CZTS(Se) graded materials will be investigated. This will lay the technological foundation of CZTS(Se)SCs, which makes it become a novel and clean thin film solar cell with large-scale promotion.

铜锌锡硫(硒)[CZTS(Se)]光伏材料被认为是较有发展前途的新能源材料。本项目拟利用LMBE技术，以不含毒性成分的Zn、Sn、S等元素替代(或部分替代)CIGS电池的有毒元素，制备对环境友好、低成本的CZTS(Se)光伏材料。在参照当前常规CZTS(Se)电池结构将新型ZnS、MnS功能层成功优化的基础上设计新结构，充分考虑减反射层、窗口层、缓冲层及CZTS(Se)缓变吸收层等多层薄膜光学特性的耦合，从整体上综合考虑新器件陷光、输运结构并调整相应各功能层薄膜特征参数，达到光透射模型和光生载流子收集输运模型的整体协调统一。该项目力求研制出新型CZTS电池，其在AM1.5光照条件下电池短路电流、开路电压、填充因子等光电性能优于常规CZTS电池。此间同时研究CZTS(Se)渐变材料的一些新特性，为CZTS(Se)电池逐步成为可大规模推广、无污染的新型薄膜太阳电池奠定技术基础。

以资源丰富且因不含毒性成分的Zn、Sn、S 等元素替代(或部分替代)CIGS 光伏材料的有毒元素而得到的铜锌锡硫(硒)CZTS(Se)光伏材料被认为是较有发展前途的新能源材料。目前CZTS(Se)薄膜太阳能电池因为仍保留了许多前代太阳能电池的特点,故而性能并不理想。本项目以 CZTS(Se)光伏材料及器件为研究对象，针对现有CZTS(Se)常规结构中新型功能层生长、光生载流子输运模型与透射光子传输模型并不一致等问题，利用LMBE技术、并在原计划基础上改进使用溶胶凝胶法制备CZTS(Se)相关光伏材料。在参照当前常规CZTS 电池结构将新型ZnS、ZnO 缓冲层成功优化的基础上设计新结构，充分考虑了减反射层、窗口层、缓冲层及CZTS(Se)缓变吸收层等多层薄膜光学特性的耦合，从整体上综合考虑新器件陷光、输运结构并调整相应各功能层薄膜特征参数，进行相关物理机制研究，理论模型框架基本成型。在实验上，采用多种方法研究电池效率的提升：.1.设计了新型电极电池，对太阳能电池载流子收集效率进行提升;.2.尝试寻找适用于太阳能电池暗电流的抑制手段，更为合理的优化p-n结，尝试将已成功抑制近红外探测器电流的方法移植到光电薄膜材料中;.3．在CZTS电池相关功能层材料研究的基础上，延伸研究了同系列材料PbS 量子点引入CdS/CdSe共敏化TiO2光阳极对光谱的吸收范围的影响机制，尝试找出量子点材料应用于提升效率的可行性。同时为了有效利用多层量子点的光生载流子在功能层间复合转化成的热能，尝试将量子点光生载流子复合热能采用热电方法加以测试利用，进而初步研究了热电探测器件。.在性能测试方法上,改进了只进行单一的光电转换、效率比较低下的太阳能量转换测试装置，搭建了一种新的太阳能电池光电光热测试装置平台以便于测试，其主要部件包括太阳光跟踪系统、电源系统和冷却系统。.进一步的，研究了降低电池成本的途径，拓宽纳米薄膜材料在能源材料中的应用，研究器件工艺过程使用回收废旧铝合金制备电极的可行性，以实现合金资源的绿色可循环使用。.目前共计发表文章专利十余篇，组织承办国际会议、报告会2次, 培养硕士生7名，已毕业3人, 完成预定计划。