NaF和CsF协同掺杂的高效锌黄锡矿太阳能电池研究

内容节点: 概述; 实验/设备条件; 样品提取; 实验/操作方法; 实验结果/结论; 仪器/耗材清单

随着能源危机、环境污染等问题日益严重，广大科研工作者开始致力于研发替代传统能源的新型能源补给方式。太阳能电池作为一种取之不尽的清洁能源广受关注。其中，铜锌锡硫硒薄膜电池作为第三代太阳能电池，具备储量丰富、低毒性、理论效率高等优势，是一种可持续发展的绿色光伏材料。2013年Mitzi等人利用非真空肼溶液法率先创造了12.6%的世界效率记录，自此经过多年发展依然停留在12.6%，远低于GIGS太阳能电池的23.35%。由于CZTSSe电池固有的体缺陷/缺陷簇和晶面/晶界问题，导致其开路电压（Voc）和填充系数（FF）是阻碍锌黄锡矿太阳能电池突破Shockley-Queisser效率。

在锌黄锡矿电池中掺杂碱金属（AMs）可以有效地促进热载体冷却，减少缺陷导致的辐射重组，从而提高光伏性能。近年来，碱金属沉积后处理(PDT)工艺使Cu(In,Ga)Se2太阳能电池世界效率取得连续突破。然而，对于其衍生的锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 太阳能电池而言，受内部缺陷化学环境和相结构不同的影响，不同体系得到的碱金属后处理效果规律并不一致，有效的碱金属种类和作用机制仍不清晰。

河南大学武四新教授课题组通过宏观和微观性能对比发现，轻碱金属和重碱金属的作用机制有所不同。以此为基础，进一步采用先NaF-PDT后再进行CsF-PDT后沉积的方式协同作用以提高CZTSSe太阳能电池的光伏性能。该研究成果对于深入理解铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池中碱金属的作用机制以及后续的高效光伏器件开发具有重要的参考和借鉴意义。

图1 碱金属协同后处理CZTSSe太阳能电池中Na和Cs的分布及主要作用机制

在本文中，研究不同碱金属（Li, Na, K, Rb和Cs）对电池的提高效率，并综合分析了碱金属元素分布、缺陷环境、晶界电势的演化关系。实验表明，排序为Na > K> Cs > Rb > Li。
图2 碱金属沉积后示意图及其J-V曲线；排序为Na > K> Cs > Rb > Li

Na原子随机分布在晶粒内部（GI）和晶界（GBs）中，显著增加受体浓度并钝化深能级缺陷，主要提升器件开路电压(Voc)。而Cs原子富集在GBs处，可以增加GBs电势以提高器件FF。二者对GI和GB电学性能的协同增效有效提升了器件的Voc和FF，器件效率达12.16%。
图3 SIMS深度剖面、STEM GB图、碱元素在GB上的分布剖面、提取的载流子浓度、J-V曲线和Na-Cs协同加入CZTSSe太阳能电池的外部量子效率

在本文中，河南大学武四新教授课题组提出了一种Na-Cs双碱金属协同方案，可有效克服开路电压（Voc）和填充系数（FF）阻碍，从而突破锌黄锡矿太阳能电池的Shockley-Queisser效率。设计实验验证了轻碱金属和重碱金属的作用机制区别，采用先NaF-PDT后再进行CsF-PDT后沉积的方式协同作用以提高CZTSSe太阳能电池的光伏性能，器件效率达12.16%。该研究成果对于后续的高效光伏器件开发具有重要的参考和借鉴意义。

文章信息
这一成果以“Synergistic Incorporation of NaF and CsF PDT for High Efficiency Kesterite Solar Cells: Unveiling of Grain Interior and Grain Boundary Effects”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。河南大学常晓欢和符俊杰为共一作者，武四新教授和寇东星副教授为论文的通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA08224D
本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司 “SCS100” 系列光电化学电池量子效率测试系统，如需了解该产品，欢迎咨询我司。
SCS10-PEC光电化学电池测量系统（图）

河南大学武四新教授课题组简介
河南大学武四新教授课题组名称：光电功能材料以及太阳能薄膜电池。课题组主要从事光电功能的设计、制备及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太阳能电池的转换效率。课题组期望通过对铜基薄膜太阳能电池各部分组件先进工艺和关键技术的探索和突破(薄膜微结构设计、缺陷态调控、表/界面钝化、能带结构优化以及微观动力学研究等方面)，开发出具有高结晶质量吸收层体相材料和优良电学性能接触界面的高效CZTSSe以及CIGS光伏器件并丰富其应用领域。
截止目前，本课题组已承担了各类项目10余项，其中，包括，国家自然科学基金、教育部新世纪人才支持计划、教育部科学技术重点项目、人事部归国留学人员择优支持计划项目、河南省科技厅基础与前沿重点项目、河南省高校知识创新工程支持计划等，在学术期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等发表学术论文50余篇。

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