两步降温抑制铜锌锡硫硒太阳能电池吸收层缺陷研究

作     者：耿航 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟月娜;武四新

授予年度：2023年

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

主      题：CZTSSe 太阳能电池 缺陷抑制 两步降温 钠补偿 

摘      要：CuZnSn(S,Se)(CZTSSe)太阳能电池作为一种无机薄膜太阳能电池,其元素来源丰富、带隙可调、吸光系数高且稳定性好,同时兼具低成本和无毒的优势,展现出巨大的发展潜力。CZTSSe太阳能电池的效率已经达到14.9%,但是与Shockley-Queisser(S-Q)理论极限相比仍有很大差距。目前其效率的提升主要受限于吸收层中的有害缺陷,导致器件开路电压(V)较低。Cu和Sn缺陷是其中危害最大的缺陷,前者因能级较浅而数量众多,后者是深能级缺陷,造成严重的复合,二者形成的缺陷簇[2Cu+Sn ]是带尾态的元凶。为了抑制这些有害缺陷,本论文基于对硒化降温过程的研究,提出并改进了两步降温法,取得了以下研究成果:一、两步降温协同抑制Cu和Sn缺陷:第一部分工作研究了硒化不同温度段的降温速率对吸收层缺陷形成及器件性能的影响,进而提出了先快速后慢速的两步降温法,即在高温阶段进行快速降温,抑制CZTSSe相的分解和Sn相关二次相的挥发,减少Sn损失,从而抑制[2Cu+Sn ]缺陷簇的形成;在低温阶段进行缓慢降温,降低吸收层的Cu-Zn无序度,减少Cu缺陷。通过两步降温实现了对Cu、Sn缺陷和[2Cu+Sn ]缺陷簇的协同调控,CZTSS太阳能电池的开路电压损失显著减低,V提升约50 mV。二、吸收层表面钠补偿进一步钝化缺陷:针对两步降温导致吸收层表面Na含量降低的问题,通过表面沉积后处理(Post Deposition Treat,PDT)补偿了吸收层表面损失的Na,并对处理前后的缺陷水平和器件性能进行研究。引入的Na进入晶格,能够抑制Cu和Sn缺陷的形成。部分Na迁移至晶界,进一步钝化晶界缺陷,使吸收层表面电势差增大,改善载流子的传输和收集。该方法将CZTSSe太阳能电池的填充因子(FF)提升至68.2%,最终取得了12.89%的最高效率。