CZTS薄膜太阳能电池无镉缓冲层材料的研究进展
发布时间：2020-12-19 22:44
Cu（In,Ga） Se2（CIGS）薄膜太阳能电池是单结转换效率最高（～22. 6%）的光伏器件,但In、Ga是稀缺元素,从而限制了CIGS电池的产业化。新型材料Cu2ZnSnS4（CZTS）是结构与光电性能均与CIGS十分相似的直接带隙半导体材料,它在CIGS器件结构中可替代CIGS吸收层,并得到新型CZTS薄膜太阳能电池。与CIGS相反,CZTS的原料丰富、无毒。大量研究表明,CZTS薄膜太阳能电池具有较高的转换效率和良好的稳定性,且可采用低成本、非真空的溶液法薄膜沉积技术来制造,因此CZTS器件是一种低成本、环境友好、极具产业化前景的薄膜太阳能电池。CZTS器件具有与CIGS器件一样的堆层结构{SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/n-ZnO},目前转换效率最高（～12. 6%）的CZTS器件仍沿用CIGS器件的CdS缓冲层,因而大规模生产与应用中存在高毒重金属镉污染的危险,寻找能替代CdS的无镉缓冲层材料来消除潜在的镉污染问题十分必要。此外,与高效率的{CIGS/CdS}器件相比,{CZTS/CdS}器件...
【文章来源】：材料导报. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
1 CdS和Zn SnO为缓冲层的CIGS器件的电学表征结果:(a)J-V曲线，(b)外量子效率(EQE)[46]
2017年，Ericson等[52]研究了{ZTO/全硫CZTS}器件，发现ALD＿Zn1-xSnxOy缓冲层中Sn量变化可能对导带与价带都有影响，界面复合较少，能带匹配较好，超越了CdS。对全硫CZTS器件，通过调节金属离子比或沉积温度，可控制硫化物薄膜中金属的化学计量(薄膜应当是贫铜富锌)，这对器件性能非常关键[53]。优化{ZTO/CZTS}的能带对齐，可使其效率达到9.0%(图12)，这是迄今为止无镉CZTS器件的最高效率。全硫CZTS因不用硒而毒性更低、更环保，但其带隙较高，效率较低(纪录为9.2%[6])，其中原因之一可能是较高带隙吸收层与缓冲层之间存在不理想的能带带阶[54]。ZMO和ZTO缓冲层材料将有可能提供绿色、性能较好、成本低的全硫CZTS薄膜太阳能电池。除Zn O外，Covei等[55]还研究了{Ti O2/CZTS}异质结情况，并与{Zn O/CZTS}结进行了比较，但只是报道有光响应的情况。笔者课题组也进行了{Ti O2/CZTS}异质结电池的实验研究[56]，获得了较好的开路电压，但短路电流很小。推测其原因为:Ti O2带隙较宽，与CZTS的界面很可能存在较大的正导带带阶，导致电流很小。可能需要引入第3组分到Ti O2中来调节其导带带阶，以改善性能。另一方面，溶胶-凝胶法所制备的Ti O2薄膜太厚，Houshmand的模拟结果[57]指出Ti O2薄膜厚度需不大于50 nm。目前，Ti O2基缓冲层的研究仍处于初步阶段，还需要进一步深入研究。
在CZTS或CIGS器件(图1)中，一层一个功能的概念允许一定程度的独立优化，进而形成高效的小面积电池和大面积模组。若单层效能多于单一目的，则器件结构可简化并利于降低成本。吸收层与缓冲层形成p/n结，本征i-ZnO层用于降低不均匀性和孔洞的影响，重掺n-ZnO层(如Zn O∶Al)则传输光电流至叉指电极或模块连接。新型CZTS器件直接沿用了CIGS器件的CdS缓冲层。然而，人们目前显然没有充分地理解以上器件的物理机制，因而不能对器件进行可控的改进。用不同材料替代CdS缓冲层就是这样的一个典型例子[7]。当器件中只去掉CdS层时，器件的开路电压Voc和转换效率η很低，据能带工程，其部分原因是{CIGS/Zn O}界面出现负的、断崖状(Cliff-like)导带带阶。而含CdS层时，{CdS/CIGS}界面则出现正的、尖刺状(Spike-like)导带带阶(图2)。无镉材料取代CdS时须考虑导带带阶效应[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]溶胶–凝胶法制备Cu2ZnSnS4薄膜及其太阳能电池器件[J]. 高金凤,徐键,陶卫东,方刚,徐清波. 硅酸盐学报. 2015(12)
本文编号：2926704
【文章来源】：材料导报. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
1 CdS和Zn SnO为缓冲层的CIGS器件的电学表征结果:(a)J-V曲线，(b)外量子效率(EQE)[46]
2017年，Ericson等[52]研究了{ZTO/全硫CZTS}器件，发现ALD＿Zn1-xSnxOy缓冲层中Sn量变化可能对导带与价带都有影响，界面复合较少，能带匹配较好，超越了CdS。对全硫CZTS器件，通过调节金属离子比或沉积温度，可控制硫化物薄膜中金属的化学计量(薄膜应当是贫铜富锌)，这对器件性能非常关键[53]。优化{ZTO/CZTS}的能带对齐，可使其效率达到9.0%(图12)，这是迄今为止无镉CZTS器件的最高效率。全硫CZTS因不用硒而毒性更低、更环保，但其带隙较高，效率较低(纪录为9.2%[6])，其中原因之一可能是较高带隙吸收层与缓冲层之间存在不理想的能带带阶[54]。ZMO和ZTO缓冲层材料将有可能提供绿色、性能较好、成本低的全硫CZTS薄膜太阳能电池。除Zn O外，Covei等[55]还研究了{Ti O2/CZTS}异质结情况，并与{Zn O/CZTS}结进行了比较，但只是报道有光响应的情况。笔者课题组也进行了{Ti O2/CZTS}异质结电池的实验研究[56]，获得了较好的开路电压，但短路电流很小。推测其原因为:Ti O2带隙较宽，与CZTS的界面很可能存在较大的正导带带阶，导致电流很小。可能需要引入第3组分到Ti O2中来调节其导带带阶，以改善性能。另一方面，溶胶-凝胶法所制备的Ti O2薄膜太厚，Houshmand的模拟结果[57]指出Ti O2薄膜厚度需不大于50 nm。目前，Ti O2基缓冲层的研究仍处于初步阶段，还需要进一步深入研究。
在CZTS或CIGS器件(图1)中，一层一个功能的概念允许一定程度的独立优化，进而形成高效的小面积电池和大面积模组。若单层效能多于单一目的，则器件结构可简化并利于降低成本。吸收层与缓冲层形成p/n结，本征i-ZnO层用于降低不均匀性和孔洞的影响，重掺n-ZnO层(如Zn O∶Al)则传输光电流至叉指电极或模块连接。新型CZTS器件直接沿用了CIGS器件的CdS缓冲层。然而，人们目前显然没有充分地理解以上器件的物理机制，因而不能对器件进行可控的改进。用不同材料替代CdS缓冲层就是这样的一个典型例子[7]。当器件中只去掉CdS层时，器件的开路电压Voc和转换效率η很低，据能带工程，其部分原因是{CIGS/Zn O}界面出现负的、断崖状(Cliff-like)导带带阶。而含CdS层时，{CdS/CIGS}界面则出现正的、尖刺状(Spike-like)导带带阶(图2)。无镉材料取代CdS时须考虑导带带阶效应[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]溶胶–凝胶法制备Cu2ZnSnS4薄膜及其太阳能电池器件[J]. 高金凤,徐键,陶卫东,方刚,徐清波. 硅酸盐学报. 2015(12)
本文编号：2926704
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