《Advanced Energy Materials(IF>29.698)》:鎘合金化有效抑制缺陷 提升薄膜太陽電池轉換效率至12.3%
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重點摘要
- 鎘(Cd)合金化可以有效抑制薄膜太陽電池中的缺陷,提高轉換效率。
- 35%鎘含量的薄膜太陽電池效率可以達到12.3%,比純CZTS提高超過70%。
- 鎘合金化CZTS開路電壓損耗最低,說明鎘合金化策略的重要性。
研究背景
薄膜太陽電池由銅、鋅、錫和硫組成,即銅鋅錫硫化物(CZTS)。CZTS價格低廉,毒性小,被視為新一代薄膜太陽電池的理想吸收層材料。但是,CZTS存在嚴重的缺陷問題,導致轉換效率較低。理論上證明鎘合金化CZTS可以抑制缺陷、提高轉換效率,但鎘合金化薄膜太陽電池的效率仍需進一步提高。
研究成果
美國科羅拉多大學波德分校的Feng Zhao團隊報導了鎘合金化CZTS (Cu2(Zn,Cd)SnS4, CZCTS)的研究。通過二甲亞碸(DMSO)溶液方法製備CZCTS吸收層,研究鎘含量對CZCTS反應機制、晶粒生長和電子性質的影響。結果顯示,鎘可以直接參與CZTS的相變與晶粒生長,有效抑制能帶尾。35%鎘含量CZCTS薄膜材料和高效太陽電池可在廣泛鎘濃度範圍内製備。最高效率薄膜太陽電池效率達12.3%,比純CZTS的7%提高超過70%。該器件開路電壓損耗最低,證明鎘合金化策略重要性。
研究方法
該研究採用溶液處理法製備鎘合金化CZTS薄膜。首先,在DMSO溶液中溶解金屬前體化合物,調節鎘含量,然後旋轉塗佈沉積前體薄膜。接下來,通過熱處理使前體薄膜硫化,形成CZCTS吸收層。利用X射線繞射、拉曼散射、電子探針微分析等手段表徵CZCTS薄膜,確定膜的組成和結構。最後,通過蒸發沉積鋅硫/氧化鋁等層完成太陽電池器件。結果表明溶液法可以控制鎘掺入量,熱處理驅動鎘參與CZTS相變,抑制缺陷提高器件性能。
結論
該研究證明通過溶液處理可以有效實現鎘合金化,大大提高薄膜太陽電池效率。鎘可以直接參與CZTS的相變和晶粒生長,抑制缺陷形成。35%鎘含量條件下薄膜太陽電池達到12.3%效率,具有最小開路電壓損耗。該研究為實現高效硫化銅鋅錫石太陽電池提供了重要途徑。
圖S3. 在不同的鎘濃度0%(CZTS)、n%(CZCTS-n)和100%(CCTS))的二甲亞碸溶液中製備的吸收層薄膜的X射線繞射圖案。圖中還顯示了CZTS(#26-0575)和CCTS(#29-0537)的標準X射線繞射圖案作比較。右圖放大顯示了薄膜的(200)、(004)、(220)、(204)、(002)、(101)繞射峰,可以反映出離子實構和錫石實構的區別。
圖S4. CZTS和CZCTS-n以及CCTS吸收層薄膜中Cd / (Zn + Cd)比例與禁帶寬度(左圖)和VOC/VOCSQ(右圖)的關係。VOCSQ是基於Shockley-Queisser極限計算的最大可達到的開路電壓,計算公式為VOCSQ = 0.932 × Eg – 0.1667。[2]
圖S5. a) 最佳CZCTS-35太陽電池在不同硫化階段的電流-電壓(J-V)曲線。b) 最佳CZCTS-35太陽電池在不同硫化階段的外部量子效率(EQE)曲線。c-f) CZCTS-35太陽電池在不同硫化階段的統計器件參數。統計數據基於18個太陽電池。
關鍵字
QE-R、CZCTS
