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Impact of oxygen incorporation on interface optimization and defect suppression for efficiency enhancement in Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)solar cells

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Journal of Energy Chemistry 2024年第8期95卷 77-85,I0003页

作者： Shicheng Deng Songfan Wang Yuanyuan Wang Qian Xiao Yuena Meng dongxing kou Wenhui Zhou Zhengji Zhou Zhi Zheng Sixin Wu Key Laboratory for Special Functional Materials of MOE National&Local Joint Engineering Research Centre for High-efficiency Display and Lighting TechnologySchool of MaterialsHenan UniversityKaifeng 475004HenanChina Key Laboratory of Micro-Nano Materials for Energy Storage and Conversion of Henan Province Institute of Surface Micro and Nano MaterialsCollege of Chemical and Materials EngineeringXuchang UniversityXuchang 461000HenanChina

Kesterite Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)(CZTSSe)solar cells suffer from severe carrier recombination,limiting the photovoltaic *** energy band alignment at the p-n junction and defective front interface are two main ***,oxygen incorporation in CZTSSe via absorber air-annealing was developed as a strategy to optimize its surface photoelectric property and reduce the *** optimized oxygen incorporation conditions,the carrier separation and collection behavior at the front interface of the device is *** particular,it is found that oxygen incorporated absorber exhibits increased band bending,larger depletion region width,and suppressed absorber *** indicate the dynamic factors for carrier separation become ***,the increased potential difference between grain boundaries and intra grains combined with the decreased concentration of interface deep level defect in the absorber provide a better path for carrier *** a consequence,the champion efficiency of CZTSSe solar cells has been improved from 9.74%to 12.04%with significantly improved open-circuit voltage after optimized air-annealing *** work provides a new insight for interface engineering to improve the photoelectric conversion efficiency of CZTSSe devices.

关键词： Kesterite Thin film solar cell Interface optimization Surface oxidation Defect suppression

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Surface defect ordered Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4) solar cells with efficiency over 12% via manipulating local substitution

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Journal of Energy Chemistry 2022年第4期31卷 555-562页

作者： Changcheng Cui dongxing kou Wenhui Zhou Zhengji Zhou Shengjie Yuan Yafang Qi Zhi Zheng Sixin Wu Key lab for Special Functional Materials Ministry of EducationNational&Local Joint Engineering Research Center for High-Efficiency Display and Lighting TechnologySchool of Materials Science and EngineeringCollaborative Innovation Center of Nano Functional Materials and ApplicationsHenan UniversityKaifeng 475004HenanChina Inst Surface Micro&Nano Mat Coll Adv Mat&EnergyKey Lab Micronano Energy Storage&Convers Mat HeXuchang UniversityXuchang 461000HenanChina

The environmentally friendly Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)(CZTSSe) compounds are promising direct bandgap materials for application in thin film solar cells, but the spontaneous surface defects disordering would lead to large open-circuit voltage deficit(V_(oc,deficit)) and significantly limit kesterite photovoltaics performance,primarily arising from the generated more recombination centers and insufficient p to n conversion at p-n junction. Herein, we establish a surface defects ordering structure in CZTSSe system via local substitution of Cu by Ag to suppress disordered Cu_(Zn) defects and generate benign n-type Zn_(Ag) donors. Taking advantage of the decreased annealing temperature of Ag F post deposition treatment(PDT), the high concentration of Ag incorporated into surface absorber facilitates the formation of surface ordered defect environment similar to that of efficient CIGS PV. The manipulation of highly doped surface structure could effectively reduce recombination centers, increase depletion region width and enlarge the band bending near p-n junction. As a result, the Ag F-PDT device finally achieves maximum efficiency of 12.34% with enhanced V_(oc) of 0.496 V. These results offer a new solution route in surface defects and energy-level engineering, and open the way to build up high quality p-n junction for future development of kesterite technology.

关键词： Kesterite Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)thin film solar cells Interface recombination Defect passivation Ag substitution

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Lithium-assisted synergistic engineering of charge transport both in GBs and GI for Ag-substituted Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells

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Journal of Energy Chemistry 2020年第11期29卷 9-15页

作者： Xiangyun Zhao Xiaohuan Chang dongxing kou Wenhui Zhou Zhengji Zhou Qingwen Tian Shengjie Yuan Yafang Qi Sixin Wu The authors contributed equally to this work Key Lab for Special Functional MaterialsMinistry of EducationNational&Local Joint Engineering Research Center for High-Efficiency Display and Lighting TechnologySchool of Materials Science and EngineeringCollaborative Innovation Center of Nano Functional Materials and ApplicationsHenan UniversityKaifeng 475004HenanChina

Although silver(Ag) substitution offers several benefits in eliminating bulk defects and facilitating interface type inversion for Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe) photovoltaic(PV) technology, its further development is still hindered by the fairly low electrical conductivity due to the significant decrease of acceptors *** this work, a versatile Li–Ag co-doping strategy is demonstrated to mitigate the poor electrical conductivity arising from Ag through direct incorporating Li via postdeposition treatment(PDT) on top of the Ag-substituted CZTSSe absorber. Depth characterizations demonstrate that Li incorporation increases ptype carrier concentration, improves the carrier collection within the bulk, reduces the defects energy level as well as inverts the electric field polarity at grain boundaries(GBs) for Ag-substituted CZTSSe system. Benefiting from this lithium-assisted complex engineering of electrical performance both in grain interior(GI) and GBs, the power conversion efficiency(PCE) is finally increased from 9.21% to 10.29%. This systematic study represents an effective way to overcome the challenges encountered in Ag substitution,and these findings support a new aspect that the synergistic effects of double cation dopant will further pave the way for the development of high efficiency kesterite PV technology.

关键词： Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin film solar cell Ag substitution Alkali doping Post-treatment

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Adjusting the SnZn defects in Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4) absorber layer via Ge^(4+) implanting for efficient kesterite solar cells

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Journal of Energy Chemistry 2021年第10期30卷 1-7,I0001页

作者： Yueqing Deng Zhengji Zhou Xin Zhang Lei Cao Wenhui Zhou dongxing kou Yafang Qi Shengjie Yuan Zhi Zheng Sixin Wu Key Lab for Special Functional Materials Ministry of EducationNational and Local Joint Engineering Research Center for High-Efficiency Display and Lighting TechnologyAnd School of MaterialsHenan UniversityKaifeng 475004HenanChina Collaborative Innovation Centre of Nano Functional Materials and Applications HenanChina Key Laboratory for Micro-Nano Energy Storage and Conversion Materials of Henan Province College of Advanced Materials and EnergyInstitute of Surface Micro and Nano MaterialsXuchang UniversityXuchang 461000HenanChina

The development of kesterite photovoltaic solar cells has been hindered by large open-circuit voltage(V_(oc))***,Snzn deep point defect and associative defect cluster have been recognized as the main culprit for the Voc ***,manipulating the deep-level donor of Snzn antisite defects is crucial for breaking through the bottleneck of present Cu_(2) ZnSn(S,Se)_(4)(CZTSSe)photovoltaic *** this study,the Snzn deep traps in CZTSSe absorber layer are suppressed by incorporation of *** energy levels and concentration of Snzn defects measured by deep-level transient spectroscopy(DLTS)decrease *** addition,the grain growth of CZTSSe films is also promoted due to Ge implantation,yielding the high quality absorber ***,the efficiency of CZTSSe solar cells increases from 9.15%to 11.48%,largely attributed to the 41 mV Voc increment.

关键词： CZTSSe Defect Absorber layer Solar cells V_(oc)

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Electron transportation and optical properties of microstructure TiO2 films:applied in dye-sensitized solar cells

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Frontiers of Optoelectronics 2011年第1期4卷 72-79页

作者： Shuangying XU Linhua HU Jiang SHENG dongxing kou Huajun TIAN Songyuan DAI Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences

Micro-structure of TiO2films in dye-sensitized solar cells（DSSCs） can affect light absorption and electron transportation that impact on the characteristics of currentvoltage（J-V）. In this paper, films with different surface area, pore size and porosity were obtained by adding different ratio of ethyl cellulose（Ec-S） to pastes, and a photo-electric conversion efficiency（η） of 7.55% with a short-circuit current density(Jsc) of 16.81 mA·cm–2was obtained when the ratio of Ec-S was 10∶5. BET results showed that film with this optimum ratio had the most suitable pore size and surface area for good properties of photovoltaic, which had a low reflectivity and high transmission rate, and the efficiency of light utilization was improved. Moreover, measurements by intensitymodulated photocurrent spectroscopy（IMPS） and intensity-modulated photovoltage spectroscopy（IMVS）implied that the electron transport time（τd） increased as the content of Ec-S increased, which was related to the larger surface area. Results of steady-state cyclic voltammetry indicated that diffusion-limited current density(Jlim) of I3–in TiO2film increased with its porosity, which revealed that the transportation of redox mediators in the electrolyte was speeded up.

关键词： micro-structure porosity optical property electron transport dye-sensitized solar cell (DSSC)

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染料敏化太阳电池中TiO_2薄膜微结构相关动力学研究

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太阳能学报 2014年第1期35卷 139-144页

作者：李毅寇东星戴松元姜年权温州大学物理与电子信息工程学院温州325035 中国科学院等离体物理研究所新型薄膜太阳电池重点实验室合肥230031

采用溶胶-凝胶法制备尺寸大小20nm和300nm的两种TiO2颗粒,二者以不同比例掺杂制备纳米多孔薄膜并应用于染料敏化太阳电池(DSC)中。采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术研究薄膜微结构变化对电子传输动力学过程的影... 详细信息

采用溶胶-凝胶法制备尺寸大小20nm和300nm的两种TiO2颗粒,二者以不同比例掺杂制备纳米多孔薄膜并应用于染料敏化太阳电池(DSC)中。采用强度调制光电流谱(IMPS)和强度调制光电压谱(IMVS)技术研究薄膜微结构变化对电子传输动力学过程的影响,进而分析大颗粒掺杂对电池性能影响的内在原因。结果表明,TiO2大颗粒作为光散射中心使光程增加可有效增大光强,但掺杂比例与染料吸附量存在竞争进而影响光吸收,研究表明:掺杂20wt%大颗粒纳米薄膜制备的DSC具有最佳性能,相比未掺杂的DSC,掺杂20wt%大颗粒的DSC短路电流Jsc从10.99mA/cm2增加到12.04mA/cm2,光电转换效率η增大8.2%。随TiO2大颗粒掺杂比例增大,电子传输时间τd减小。

关键词：染料敏化太阳电池光散射 IMPS IMVS 电子输运

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染料敏化太阳电池研究和产业新进展

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太阳能学报 2009年第6期30卷 717-721页

作者：张玉香戴松元孔凡太姜年权寇东星中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室合肥230031 安徽广播影视职业技术学院合肥230022 温州大学物理与电子信息学院温州325035

该文介绍了染料敏化太阳电池的结构、工作原理和不同种类染料敏化太阳电池的研究进展情况,重点介绍目前国内外在该领域研究和产业化发展的最新进展和动态,并对其未来的发展前景进行了展望。

关键词：太阳电池染料产业化效率

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一种高效、绿色制备环状硫碘盐的新方法及其在染料敏化太阳电池中的应用

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化学学报 2011年第7期69卷 767-771页

作者：郭磊潘旭王猛寇东星蔡墨朗张昌能戴松元中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室中国科学院等离子体物理研究所合肥230031

采用高压釜合成和乙酸乙酯/水萃取提纯的模式制备出高产率、高纯度的环状烷基硫碘盐.高压釜合成在保证产率的前提下,大大缩短了反应时间(反应时间仅为原来的1/3);乙酸乙酯和水的萃取提纯模式在保证产品纯度的同时,大大缩短了提纯时间,... 详细信息

采用高压釜合成和乙酸乙酯/水萃取提纯的模式制备出高产率、高纯度的环状烷基硫碘盐.高压釜合成在保证产率的前提下,大大缩短了反应时间(反应时间仅为原来的1/3);乙酸乙酯和水的萃取提纯模式在保证产品纯度的同时,大大缩短了提纯时间,还避免了有毒试剂的使用.制备出的烷基环状硫碘盐作为碘源用于配制染料敏化太阳电池用电解质,相应电池的光电转化效率接近使用传统烷基咪唑碘盐的电池.电化学阻抗谱(EIS)测试表明环状烷基锍阳离子相比于烷基咪唑阳离子来说,更有利于抑制电池内部的电子复合反应,同时还能促进对电极上电子交换反应的进行,最终可以提高电池的开路电压和填充因子.

关键词：染料敏化太阳电池硫碘盐高压釜合成

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氧气氛烧结电极对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

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化学学报 2013年第8期71卷 1149-1153页

作者：寇东星刘伟庆胡林华陈双宏黄阳戴松元中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室中科院等离子体物理研究所合肥230031 河南大学特种功能材料重点实验室开封475004

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程,研究者尝试不同方法制备或改性TiO2薄膜.不同烧结气氛可以改变TiO2薄膜的表面特性,是一种有效的方法并被广泛研究.采用两步烧结法制备氧气氛烧结TiO2电极并应用于染料敏化太阳电池:第一... 详细信息

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程,研究者尝试不同方法制备或改性TiO2薄膜.不同烧结气氛可以改变TiO2薄膜的表面特性,是一种有效的方法并被广泛研究.采用两步烧结法制备氧气氛烧结TiO2电极并应用于染料敏化太阳电池:第一步将电极在空气或氧气氛中510℃保温30 min以清除TiO2薄膜中有机物;第二步将电极进一步在氮气氛中510℃保温10 min以移除电极表面吸附的多余氧原子.通过与空气烧结电池宏观性能及微观性能的对比,细致研究了氧气氛烧结电极表面特性对染料敏化太阳电池传输复合微观动力学过程的影响机制.TiO2薄膜表面特性及带边移动、电子传输复合过程的表征分别借助XPS能谱仪和强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)等探测技术完成.结果表明,氧气烧结电极Ti3+复合中心减少,使电池内部电子复合得到有效抑制.同时,氧气烧结电极染料吸附量增加且导带边正移,使得光生电子浓度升高,膜内电子传输过程加快.最终,氧气烧结电极有效改善了电池光吸收效率、电子收集效率以及注入效率,使电池效率由6.90%提升至7.53%.

关键词：染料敏化太阳电池烧结气氛电子传输复合

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电沉积表面修饰对染料敏化太阳电池微观性能影响机理研究

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化学学报 2013年第5期71卷 777-781页

作者：寇东星刘伟庆胡林华陈双宏黄阳戴松元中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室中国科学院等离子体物理研究所合肥230031 南昌航空大学测试与光电工程学院无损检测技术教育部重点实验室南昌330063

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程,研究者尝试不同方法制备或改性TiO2薄膜.对TiO2薄膜进行后处理,在其表面引入一层小颗粒层,是一种有效的方法并被广泛研究.通过对TiO2薄膜不同时间的电沉积表面修饰,细致研究了表面修饰后... 详细信息

为了改善染料敏化太阳电池内电子的传输复合过程,研究者尝试不同方法制备或改性TiO2薄膜.对TiO2薄膜进行后处理,在其表面引入一层小颗粒层,是一种有效的方法并被广泛研究.通过对TiO2薄膜不同时间的电沉积表面修饰,细致研究了表面修饰后染料敏化太阳电池微观性能的变化机制.采用阳极氧化法在TiCl3水溶液中对TiO2薄膜进行电沉积后处理,将溶液pH值调至2.2,装置的反应速率由恒电位仪控制.不同沉积时间电池带边移动以及电子传输复合的动力学过程,借助强度调制光电流谱(IMPS)/强度调制光电压谱(IMVS)和电化学阻抗谱(EIS)等探测技术表征.研究表明,电沉积在TiO2薄膜表面引入了大量浅能级陷阱态,以致电势较高时电容随沉积时间延长增加明显.不同时间的电沉积表面修饰在TiO2薄膜表面形成了新的小颗粒层并改善了TiO2颗粒间接触,在改善电子注入及收集过程的同时,也有效抑制了内部电子复合.IMPS/IMVS结果表明,电沉积对动力学过程改善的效果受光强影响明显,弱光下作用更为突出.此外,电池开路电压主要受带边移动及内部复合变化影响,随沉积时间延长,表面电荷的增多使TiO2薄膜带边逐渐正移,有效改善了光电流却限制了开路电压的提升.在适合的电沉积时间下,电沉积表面修饰可以同时改善光电流和光电压.

关键词：染料敏化太阳电池强度调制光电流谱光电压谱电子复合电沉积

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