液相法可控制备OVC相的GXCIGS太阳能电池

Cu(In,Ga)Se2（CIGS）是I-III-VI组化合物半导体材料，具备黄铜矿晶体结构，以它为吸收层的太阳能电池为CIGS薄膜太阳能电池，具备光电转换效率高、电池稳定性好、抗辐照能力强、弱光性好等优势。液相法制备CIGS电池实现了17.3%转换效率，虽然与真空法的23.35%相比仍有一定的差距，但由于液相法制备薄膜具有成本低、原料利用率高、可以实现卷对卷制备等优点，仍具有巨大的潜在发展优势。

研究表明，在GXCIGS电池的吸收层表面通常存在一层贫铜组分的有序缺陷化合物（2VCu+InCu，OVC），OVC相可以极大提高CIGS/CdS异质结质量，从而提升CIGS器件效率。在液相法制备薄膜中，由于无法实现元素在制备过程中的实时调控，很难实现CIGS表面OVC的可控形成。近期，河南大学武四新教授课题组通过分析OVC相的形成机理，设计了一种在吸收层表面沉积贫铜CIGS化合物的方式，利用在硒化成膜过程中Cu元素的扩散，实现CIGS表面OVC的制备。通过控制硒化温度以及顶层和体相前驱体薄膜的Cu/(In+Ga)化学计量，可以实现Cu(In,Ga)Se2表面OVC相的可控制备（图1）。

图1. OVC相制备过程示意图

图2. CIGS器件的能带结构示意图

通过测试分析，武四新教授课题组发现表面OVC相提升CIGS电池效率的原因主要来源于以下几点：

（1）OVC相使CIGS表面的价带能级位置向下移动，形成空穴往缓冲层传输的势垒，YZ载流子在CIGS/CdS的复合。

（2）OVC相的形成可以有效降低界面的缺陷浓度。

（3）OVC相可以促进载流子的分离和收集。

通过优化OVC相含量，制备出了16.39%效率的CIGS太阳能电池，本研究工作对进一步提升液相法CIGS太阳能电池的效率提供了新的研究思路和技术手段。

图3  7种OVC结构的拉曼光谱、J-V曲线和FF数

图4 有/无OVC结构CIGS器件的Cu元素TOF-SIMS剖面、EQE曲线、USP光谱

图5 有/无OVC结构CIGS器件在不同温度下暗态J-V曲线

文章信息

这一成果以“Controllable Formation of Ordered Vacancy Compound for High Efficiency Solution Processed Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells”为题发表在Advanced functional materials上。河南大学赵云海为论文DY作者，武四新教授和袁胜杰博士为论文通讯作者

文章链接https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04399

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司SolarIV系列 太阳能电池伏安特性测量系统，如需了解该产品，欢迎咨询我司。

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)，ZZ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GXCZTSSe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、教育部新世纪优秀人才支持计划、教育部科学技术ZD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ZD项目、河南省高校知识创新工程支持计划等，在国内外著名学术期刊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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