Cu（In,Ga） Se₂（CIGS）薄膜太陽能電池是單結(jié)轉(zhuǎn)換效率最高（～22. 6%）的光伏器件,但In、Ga是稀缺元素,從而限制了CIGS電池的產(chǎn)業(yè)化。新型材料Cu₂ZnSnS₄（CZTS）是結(jié)構(gòu)與光電性能均與CIGS十分相似的直接帶隙半導體材料,它在CIGS器件結(jié)構(gòu)中可替代CIGS吸收層,并得到新型CZTS薄膜太陽能電池。與CIGS相反,CZTS的原料豐富、無毒。大量研究表明,CZTS薄膜太陽能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和良好的穩(wěn)定性,且可采用低成本、非真空的溶液法薄膜沉積技術(shù)來制造,因此CZTS器件是一種低成本、環(huán)境友好、極具產(chǎn)業(yè)化前景的薄膜太陽能電池。CZTS器件具有與CIGS器件一樣的堆層結(jié)構(gòu){SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/n-ZnO},目前轉(zhuǎn)換效率最高（～12. 6%）的CZTS器件仍沿用CIGS器件的CdS緩沖層,因而大規(guī)模生產(chǎn)與應用中存在高毒重金屬鎘污染的危險,尋找能替代CdS的無鎘緩沖層材料來消除潛在的鎘污染問題十分必要。此外,與高效率的{CIGS/CdS}器件相比,{CZTS/CdS}器件... 

【文章來源】：材料導報. 2020年07期 北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

1 CdS和Zn SnO為緩沖層的CIGS器件的電學表征結(jié)果:(a)J-V曲線，(b)外量子效率(EQE)[46]

2017年，Ericson等[52]研究了{ZTO/全硫CZTS}器件，發(fā)現(xiàn)ALD＿Zn1-xSnxOy緩沖層中Sn量變化可能對導帶與價帶都有影響，界面復合較少，能帶匹配較好，超越了CdS。對全硫CZTS器件，通過調(diào)節(jié)金屬離子比或沉積溫度，可控制硫化物薄膜中金屬的化學計量(薄膜應當是貧銅富鋅)，這對器件性能非常關(guān)鍵[53]。優(yōu)化{ZTO/CZTS}的能帶對齊，可使其效率達到9.0%(圖12)，這是迄今為止無鎘CZTS器件的最高效率。全硫CZTS因不用硒而毒性更低、更環(huán)保，但其帶隙較高，效率較低(紀錄為9.2%[6])，其中原因之一可能是較高帶隙吸收層與緩沖層之間存在不理想的能帶帶階[54]。ZMO和ZTO緩沖層材料將有可能提供綠色、性能較好、成本低的全硫CZTS薄膜太陽能電池。除Zn O外，Covei等[55]還研究了{Ti O2/CZTS}異質(zhì)結(jié)情況，并與{Zn O/CZTS}結(jié)進行了比較，但只是報道有光響應的情況。筆者課題組也進行了{Ti O2/CZTS}異質(zhì)結(jié)電池的實驗研究[56]，獲得了較好的開路電壓，但短路電流很小。推測其原因為:Ti O2帶隙較寬，與CZTS的界面很可能存在較大的正導帶帶階，導致電流很小�？赡苄枰氲�3組分到Ti O2中來調(diào)節(jié)其導帶帶階，以改善性能。另一方面，溶膠-凝膠法所制備的Ti O2薄膜太厚，Houshmand的模擬結(jié)果[57]指出Ti O2薄膜厚度需不大于50 nm。目前，Ti O2基緩沖層的研究仍處于初步階段，還需要進一步深入研究。

在CZTS或CIGS器件(圖1)中，一層一個功能的概念允許一定程度的獨立優(yōu)化，進而形成高效的小面積電池和大面積模組。若單層效能多于單一目的，則器件結(jié)構(gòu)可簡化并利于降低成本。吸收層與緩沖層形成p/n結(jié)，本征i-ZnO層用于降低不均勻性和孔洞的影響，重摻n-ZnO層(如Zn O∶Al)則傳輸光電流至叉指電極或模塊連接。新型CZTS器件直接沿用了CIGS器件的CdS緩沖層。然而，人們目前顯然沒有充分地理解以上器件的物理機制，因而不能對器件進行可控的改進。用不同材料替代CdS緩沖層就是這樣的一個典型例子[7]。當器件中只去掉CdS層時，器件的開路電壓Voc和轉(zhuǎn)換效率η很低，據(jù)能帶工程，其部分原因是{CIGS/Zn O}界面出現(xiàn)負的、斷崖狀(Cliff-like)導帶帶階。而含CdS層時，{CdS/CIGS}界面則出現(xiàn)正的、尖刺狀(Spike-like)導帶帶階(圖2)。無鎘材料取代CdS時須考慮導帶帶階效應[14]。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]溶膠–凝膠法制備Cu2ZnSnS4薄膜及其太陽能電池器件[J]. 高金鳳,徐鍵,陶衛(wèi)東,方剛,徐清波.  硅酸鹽學報. 2015(12)



本文編號：2926704