基于CdS缓冲层调控制备高效CZTSSe薄膜太阳能电池研究

作     者：徐圳 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁胜杰;武四新

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：CZTSSe 缓冲层调控 硫化铵处理 ZnCdS 梯度能带 

摘      要：近年来,随着新能源的兴起,含量丰富、不受地域制约、环保清洁可循环的太阳能受到科研工作者的广泛关注,其中无机薄膜太阳能电池家族取得了巨大的进展。由铜铟镓硒[Cu(In,Ga)Se,CIGSe]太阳能电池演变而来的铜锌锡硫硒[CuZn Sn(S,Se),CZTSSe]太阳能电池,因其具有低成本、无毒、元素含量丰富等优点引起研究人员的极大兴趣。然而,CZTSSe太阳能电池目前的世界最高认证效率只有13.0%。目前,研究者的共识是CZTSSe太阳能电池界面复合导致的高开路电压损失(V)是导致CZTSSe与S-Q理论极限效率33.2%相比相距甚远的主要原因之一。其中Cd S/CZTSSe界面复合占主导地位,Cd S作为前界面的重要组成部分,存在以下两个问题,严重影响器件性能:(1)Cd S薄膜通常是采用化学水浴沉积法(CBD)制备的。在CBD沉积过程中不可避免的会在Cd S薄膜中形成硫空位。同时CBD的沉积机制也导致Cd S表面产生Cd的氧化物、氢氧化物二次相。这些S空位和二次相造成载流子在异质结界面复合。(2)Cd S与CZTSSe不合适的能带匹配也是造成载流子界面复合的一个重要因素。同时Cd S由于自身带隙较窄,会吸收一部分短波区域的光,造成相应的能量损失。制备高质量Cd S薄膜,并优化其与CZTSSe的能带匹配,是提高异质结质量的关键。针对上述的两个问题,本论文主要开展了以下两方面工作:(一)硫化铵处理Cd S缓冲层改善异质结界面复合:将硫化铵[Ammonium Sulfide(AS)]溶液旋涂在Cd S薄膜上,然后在空气中对薄膜进行低温热退火。根据相应条件的器件性能对比,得出最佳低温热退火温度为90℃。结果表明,Cd S薄膜表面形成了Cd的氧化物、氢氧化物,通过AS处理工艺成功将其从Cd S薄膜表面去除。Cd S薄膜表面的S空位可以通过AS处理来钝化。未处理的器件(W/O AS)的短路电流密度(J)为32.93m A/cm,开路电压(V)为453.08 m V,填充因子(FF)为65.11%,光电转换效率为9.72%。经过AS处理后,测试表明AS处理后的器件(W/AS)较大的耗尽区宽度和较高的内建电势有利于光吸收和载流子提取;且W/AS器件的少数载流子寿命更长,电荷复合更少,有利于太阳能电池的载流子分离和收集。AS处理器件最终获得了11.98%的最佳电池效率,J、V和FF分别为35.70 m A/cm、490.15 m V和68.48%。(二)构筑梯度能带结构Zn Cd S缓冲层改善异质结界面复合:使用新型CBD工艺制备了用于CZTSSe太阳能电池的三元梯度成分组成的Zn CdS缓冲层。在Cd S沉积过程中,通过在反应溶液中逐滴添加Zn源,实现了Zn浓度逐渐增大的梯度成分Zn CdS缓冲层。通过改变Zn溶液的浓度,我们成功地获得了一系列带隙值可调的Zn CdS薄膜。XRD和Raman结果表明,Zn被掺杂到Cd S的晶格中。Zn的掺杂可以增大Cd S的禁带宽度,减少了缓冲层对短波光的寄生吸收。深度UPS测试证实Zn CdS缓冲层的导带能级从底部到表面逐渐增加,形成了渐变的导带梯度。梯度能带的引入将异质结界面大的CBO分割成许多较小的偏移,从而降低了电子输运势垒;同时梯度能带结构在CZTSSe侧引入低Zn含量(窄带隙)钝化了Zn Cd S缓冲层亚稳态的电学性质;在Zn O侧引入高Zn含量(宽带隙)增加了CZTSSe在短波波段的吸收。得益于梯度能带Zn Cd S缓冲层结构,梯度能带CZTSSe器件获得了最高12.35%的转换效率,其J、V和FF分别为36.90 m A/cm,504.81 m V和66.28%。