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背电极材料、结构以及厚度等影响钙钛矿太阳能电池性能的研究

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物理学报 2021年第19期70卷 282-287页

作者：王剑涛肖文波夏情感吴华明李璠黄乐南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室南昌330063 江西省光电检测技术工程实验室南昌330063 南昌大学材料科学与工程学院南昌330031 广东工业大学材料与能源学院广州450001

背电极是影响钙钛矿太阳电池性能的一个重要因素.本文采用COMSOL软件仿真研究了背电极材料、结构、厚度对电池性能的影响规律.发现相对于背电极金属的功函数,其阻值对电池性能影响小.背电极结构除了阻值会影响电池性能,还存在影响电池... 详细信息

背电极是影响钙钛矿太阳电池性能的一个重要因素.本文采用COMSOL软件仿真研究了背电极材料、结构、厚度对电池性能的影响规律.发现相对于背电极金属的功函数,其阻值对电池性能影响小.背电极结构除了阻值会影响电池性能,还存在影响电池性能的其他因素.蜂窝结构背电极中,考虑制作难易程度的情况下,圆形半径约等于边缘间距时性价比最高.预测背电极中每增加10%的孔隙,电池性能大约提升5%.背电极阻值随着厚度的增加而减小,考虑工艺、成本等因素的前提下,最佳的厚度应在100—150 nm之间.

关键词：钙钛矿太阳能电池背电极材料结构厚度

Si衬底Cu_(2)ZnSnS_(4)太阳能电池的数值分析

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物理学报 2021年第10期70卷 340-348页

作者：刘辉城许佳雄林俊辉广东工业大学材料与能源学院广州510006

在Si衬底上制备的Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点,但目前其转换效率仍较低.本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算.对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算... 详细信息

在Si衬底上制备的Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点,但目前其转换效率仍较低.本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算.对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算结果表明,在该电池结构中p-CZTS和n-Si分别起窗口层和吸收层的作用,但p-CZTS具有高光吸收系数,使大部分入射光无法透过p-CZTS层进而被n-Si吸收,限制了电池的转换效率.本文提出以p-Si作为衬底的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池结构.计算得到的p-CZTS/p-Si结构的暗态电流密度-电压(J–V)特性曲线均为线性曲线,表明p-CZTS与p-Si为欧姆接触以及p-Si作为p-CZTS的背电极的可行性.进一步计算了p-Si的厚度与掺杂浓度、p-CZTS的厚度与掺杂浓度对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池光伏特性的影响,在不考虑寄生串并联电阻效应和缺陷态的理想情况下,电池的最高转换效率为28.41%.本文计算结果表明,n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池可解决现有p-CZTS/n-Si结构存在的问题,是一种合适的Si衬底CZTS太阳能电池结构.

关键词： Cu_(2)ZnSnS_(4) Si 背电极光伏特性

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背电极面积优化对非晶硅太阳能电池的影响

人工晶体学报 2020年第7期49卷 1187-1194页

作者：何光强魏欣张敏安辛友龚利平曾体贤西华师范大学物理与空间科学学院南充637000 蓬安金石光电科技有限公司南充637800 南充云途科技有限公司南充637000

光伏发电技术中,非晶硅薄膜太阳能电池由于其高透光性、弱光发电、价格低廉等优势被广泛使用。在工业化量产中通过背电极面积优化以提高非晶硅薄膜太阳能电池发电效率等性能的研究还未见报道。本文以蓬安金石光电科技有限公司的5020-9... 详细信息

光伏发电技术中,非晶硅薄膜太阳能电池由于其高透光性、弱光发电、价格低廉等优势被广泛使用。在工业化量产中通过背电极面积优化以提高非晶硅薄膜太阳能电池发电效率等性能的研究还未见报道。本文以蓬安金石光电科技有限公司的5020-9型电池为研究对象,探讨了在PECVD镀膜工艺和背电极丝网印刷方式下背电极设计对非晶硅太阳能电池性能的影响。结果表明,在限定外形尺寸为50 mm×20 mm且必须为9结(PIN结)串联的条件下,背电极优化后的电池表现出较好的光电转化性能,其短路电流、开路电压、最大功率、填充因子平均值分别为7.13 mA、7.04 V、12.41 mW、25.36%。相比于原设计方案,短路电流在原基础上提高约47%,良品率提高约58%。本文还指出集成型电池背电极设计的基本原则:尽量保证各单结背电极面积相等,以提高整体电流匹配程度;优化激光蚀刻线相对位置提高活性区面积。

关键词：背电极非晶硅太阳能电池电流匹配良品率光电转化性能

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铜锑硫薄膜太阳电池的数值模拟研究

人工晶体学报 2023年第10期52卷 1773-1779页

作者：佟蕾国嘉嵘李清苗佳怡李春然钟敏渤海大学物理科学与技术学院锦州121013 渤海大学化学与材料工程学院锦州121013

用SCAPS构建了铜锑硫薄膜太阳电池模型,计算了器件的性能。分别研究了吸收层厚度、载流子浓度、缺陷密度和背电极功函数对器件性能的影响。结果表明,过薄的吸收层对绿光和红光吸收不充分,1.5~3μm厚的吸收层能满足光谱吸收要求。当受主... 详细信息

用SCAPS构建了铜锑硫薄膜太阳电池模型,计算了器件的性能。分别研究了吸收层厚度、载流子浓度、缺陷密度和背电极功函数对器件性能的影响。结果表明,过薄的吸收层对绿光和红光吸收不充分,1.5~3μm厚的吸收层能满足光谱吸收要求。当受主浓度为2×10^(18)cm^(-3)时,器件光电转换效率最高。缺陷密度大于10^(-14)cm^(-3)时,器件的光电转换效率急剧降低。贫铜富硫气氛制备铜锑硫可以提高受主浓度,减小开路电压亏损,也可以抑制硫空位缺陷形成,从而提高器件的光电转换效率。功函数较高的材料能降低背电极势垒,减少载流子在背电极复合。材料参数优化后,器件的光电转换效率最高为21.74%。

关键词：铜锑硫薄膜太阳电池 SCAPS 开路电压亏损缺陷密度背电极

晶体硅太阳电池背面套印图形设计对电池性能和组件性能的影响

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太阳能学报 2020年第9期41卷 155-160页

作者：张良李化阳李良姚玉王霞王俊镇江大全太阳能有限公司扬中212211

以晶体硅太阳电池背面套印图形为研究对象,通过设计背电场和背电极套印方式以及背电极图形,对背面不同套印图形的接触电阻、电池的电性能和组件性能进行研究。研究结果表明:背面铝背场和银电极在重叠面积为4.35%,且背电极蜈蚣脚间距为1... 详细信息

以晶体硅太阳电池背面套印图形为研究对象,通过设计背电场和背电极套印方式以及背电极图形,对背面不同套印图形的接触电阻、电池的电性能和组件性能进行研究。研究结果表明:背面铝背场和银电极在重叠面积为4.35%,且背电极蜈蚣脚间距为1 mm时的接触电阻最小,电池效率提升最大,同时组件输出功率增益最多。该研究为晶体硅太阳电池背面套印图形设计和背电极图形的优化提供指导。

关键词：太阳电池丝网印刷转换效率背电极背电场

铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池界面修饰及对其光伏性能的影响研究

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铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池界面修饰及对其光伏性能的影响研究

作者：俞雷西北师范大学

学位级别：硕士

锌黄锡矿结构(kesterite,CuZnSn(S,Se),CZTSSe)化合物是一种p型直接带隙半导体,其结构与CIGS相似,带隙在1.0-1.5 e V之间连续可调,吸收系数可达10 cm以上,其薄膜制备工艺简单、组成元素储量丰富且无毒等诸多优点,是薄膜太阳能电池的理... 详细信息

锌黄锡矿结构(kesterite,CuZnSn(S,Se),CZTSSe)化合物是一种p型直接带隙半导体,其结构与CIGS相似,带隙在1.0-1.5 e V之间连续可调,吸收系数可达10 cm以上,其薄膜制备工艺简单、组成元素储量丰富且无毒等诸多优点,是薄膜太阳能电池的理想吸收层材料。目前,CZTSSe薄膜太阳电池的光电转换效率已达13.6%,虽然已接近商用水平,但仍远小于32.2%的理论效率。探索可提高CZTSSe太阳能电池转换效率的有效途径是该领域的研究热点。本论文以“铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的界面修饰及对其光伏性能的影响研究”为题,系统的总结了作者在攻读硕士学位期间所做的研究工作。主要包括以下三方面的研究内容和成果:(1)Mo电极的不同储存方式和背接触处理对CZTSSe电池性能的影响研究。首先,将不同储存环境及表面通过机械抛光后的Mo电极作为背电极;然后,采用旋涂法在背电极上制备CZTS前驱体薄膜,硒化后获得CZTSSe光敏层;最后,分别利用并化学浴沉积、磁控溅射和热蒸发法在吸收层上依次沉积CdS缓冲层、ZnO窗口层、ITO透明导电层及Al栅格电极,得到完整太阳能电池器件。基于Ar环境储存Mo电极组装的CZTSSe薄膜太阳能电池与低真空(10 kPa)储存Mo的相比,FF提高了14.4%,PCE由7.22%提高到了8.01%;而抛光后低真空储存的Mo电极较抛光前,FF提高了12.1%,光PCE提高至7.77%;同样抛光后Ar环境储存的Mo电极的Voc增加了11mV,FF提高了5%,PCE提高至8.30%。结果发现,低真空(10 kPa)保存的Mo电极,由于氧气的存在会产生较厚的氧化层,表面电阻较大,阻碍了Mo/CZTSSe界面的接触,组装器件后串联电阻较大;Ar环境保存的Mo电极制备的器件性能较好;同时适当的机械抛光增加了Mo表面的粗糙度,去除表面氧化层,使表面电阻减小,进而减少了器件的串联电阻,光电转换效率增加。(2)光敏层与缓冲层的界面质量是影响CZTSSe薄膜太阳能电池转换效率的重要因素之一。本工作提出了一种采用(NH)S溶液室温处理CZTSSe,吸收层的高效、简便方法,改善其表面润湿性,提高异质结界面质量,进而提高器件光伏性能。首先,用2.78 mol/L(NH)S溶液(pH 9.7)分别对CZTSSe薄膜处理0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min和90 min后,研究了其对吸收层润湿特性的影响;然后,对不同条件处理的样品组装太阳能电池研究了器件性能的变化规律。50 min处理后可显著改变其表面润湿性至超亲水,并在化学浴中形成高质量的CdS/CZTSSe异质结,进而获得9.88%的器件效率,比未处理的电池(6.54%)提高51%,使452 mV的V提高了37 mV,FF提高了8%,达到60.56%。结果表明,(NH)S溶液处理不但可增大器件的内建电场和耗尽层宽度,同时还可抑制载流子复合和增加载流子寿命,进而提高器件光伏性能。本研究从界面润湿的角度分析了(NH)S溶液处理对异质结质量的影响,研究结果将有助于深入理解界面处理对设备性能改善的影响。(3)针对CZTSSe太阳能电池的PN结质量,本工作提出了一种可有效减少开路电压损耗的NHBr溶液后处理工艺。首先,分别把CZTSSe薄膜浸泡在0.1mol/mL、0.01 mol/mL和0.001 mol/mL浓度的NHBr溶液处理5min后,研究了其对吸收层表面形貌的影响;然后,组装太阳能电池并分析器件性能参数。0.01mol/mL浓度的NHBr溶液处理后,使424 mV的Voc提高了50 mV,Jsc由25.35mA/cm提高到29.38 mA/cm,FF提高了26.32%,PCE从5.24%提高到7.67%。研究发现,适当浓度的NHBr溶液处理CZTSSe表面转变至疏水状态,晶粒大小均匀,使带尾效应降低,开路电压损失减少。

关键词：铜锌锡硫硒界面处理背电极 PN结薄膜太阳能电池

背电极界面修饰对铜锌锡硫硒太阳能电池性能影响的研究

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背电极界面修饰对铜锌锡硫硒太阳能电池性能影响的研究

作者：张晓晖吉林大学

学位级别：硕士

具有kesterite结构的CuZnSn(S,Se)(CZTSSe)是一种直接带隙半导体,由于其合适的光学带隙、高的吸收系数、丰富的元素储备和对环境友好,被认为是制备高效、低成本太阳能电池的理想吸收层材料。但是,目前CZTSSe薄膜太阳能电池最高转换效率(... 详细信息

具有kesterite结构的CuZnSn(S,Se)(CZTSSe)是一种直接带隙半导体,由于其合适的光学带隙、高的吸收系数、丰富的元素储备和对环境友好,被认为是制备高效、低成本太阳能电池的理想吸收层材料。但是,目前CZTSSe薄膜太阳能电池最高转换效率(PCE)仅为12.62%,远低于其极限转换效率(32%)和Cu(In,Ga)Se薄膜太阳能电池光电转换效率(22.9%)。研究表明导致效率低下的主要原因之一是其背电极(Mo)与吸收层(CZTSSe)之间的界面结构不合理和接触质量较差。众所周知,目前CZTSSe太阳电池一般采用金属Mo作为背电极。在硒化制备CZTSSe吸收层的过程中,Mo与Se发生反应会在Mo和CZTSSe之间形成MoSe层。一方面,过厚的MoSe层会导致CZTSSe与Mo之间的电接触恶化,导致串联电阻(R)增加或并联电阻(R)减小,因而使电池的光电转换效率(PCE)减小;另一方面,由于MoSe为n型半导体,它与p-CZTSSe接触形成背电场,这一背电场将阻碍光生空穴向Mo电极的移动,促进光生电子与光生空穴的界面复合,导致器件PCE降低。因此,寻找适合的背电极材料或避免MoSe层形成的方法,成为CZTSSe太阳能电池研究的重要内容之一。为了解决CZTSSe太阳能电池背电极界面的这一问题,本论文开展了利用p型WSe为背电极钝化层和以金属W替代Mo作为背电极提高CZTSSe太阳能电池转换效率的研究工作,取得如下研究成果:(1)我们采用磁控溅射的方法在镀Mo的钠钙玻璃(SLG)衬底上溅射20 nm厚的金属W,然后通过在硒化制备CZTSSe薄膜中,这层金属W会被完全硒化的方法,实现了在背电极Mo与CZTSSe吸收层之间插入p型WSe钝化层,制备出结构为Al/ITO/ZnO/CdS/CZTSSe/WSe/Mo/SLG的太阳能电池。研究表明,WSe可以有效抑制MoSe的形成。与传统结构为Al/ITO/ZnO/CdS/CZTSSe/MoSe/Mo/SLG的太阳能电池相比,WSe替代MoSe,使CZTSSe电池的开路电压(V)、短路电流密度(J)和填充因子(FF)都得到了显著的提高,所以电池的PCE从4.13%提高到5.45%。V和J的提高主要是由于光生电流密度(J)的增加和反向饱和电流密度(J)的降低,而FF的增加则是由于R的升高。J的增加被证明是由于WSe层的插入使CZTSSe晶体质量提高,导致N减少,V和W的增加。J的降低是由于p-WSe与CZTSSe接触形成钝化电场,从而促进空穴向背电极传输,减少空穴与电子复合。而R的提高可能是由于CZTSSe晶体质量变好,导致p-n结和背界面漏电流的减小。(2)由于金属W在钠钙玻璃(SLG)上的附着性较差,很难直接牢固附着在钠钙玻璃上形成W背电极。因此,本论文采用先在SLG衬底上溅射10 nm厚的金属Cr,然后再在Cr上溅射厚度约为900 nm金属W的办法,制备出W背电极。通过在CZTSSe吸收层制备中使W部分硒化的方法,制备出结构为Al/ITO/ZnO/CdS/CZTSSe/WSe/W/Cr/SLG的太阳能电池。与以Mo为背电极的传统结构的太阳电池相比,以W作为背电极的太阳能电池的V,J和FF都得到提高,从而使PCE由3%提高到3.84%。V和J的提高主要是由于光生电流密度(J)的增加,而FF的增加则是由于R的升高和R的减小。J的增加被证明是由于WSe层的插入导致CZTSSe晶体质量提高,导致N减少,W增加。R的增加可归因于CZTSSe晶体质量变好导致p-n结和背界面漏电流的减小,R减小归因于金属W的电阻率小于Mo。

关键词：铜锌锡硫硒二硒化钨界面背部接触势垒背电极钨

Mo/Cr复合背电极对铜锌锡硫硒太阳能电池性能影响和机制的研究

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Mo/Cr复合背电极对铜锌锡硫硒太阳能电池性能影响和机制的研究

作者：刘佳吉林大学

学位级别：硕士

Kesterite结构的CuZnSn(S,Se)(CZTSSe)由于具有在1.0-1.5 e V可调节的光学带隙,高吸收系数,组成元素地球储藏丰富,安全无毒等优点被认为是替代Cu(In,Ga)Se制备CZTSSe基薄膜太阳能电池的理想半导体材料,近年来受到广泛深入的研究。虽然... 详细信息

Kesterite结构的CuZnSn(S,Se)(CZTSSe)由于具有在1.0-1.5 e V可调节的光学带隙,高吸收系数,组成元素地球储藏丰富,安全无毒等优点被认为是替代Cu(In,Ga)Se制备CZTSSe基薄膜太阳能电池的理想半导体材料,近年来受到广泛深入的研究。虽然取得较大的进展,但光电转换效率(PCE)仍远小于其理论值32.8%和Cu(In,Ga)Se电池的23.35%。而导致PCE低的原因之一就是背电极与吸收层之间接触质量差,界面复合较大。目前,普遍使用的背电极是金属Mo,Mo镀在钠钙玻璃(SLG)衬底上。由于Mo与SLG的热膨胀系数差值较大,所以在后续的高温硒化过程中会产生较大的应力,影响Mo与CZTSSe的紧密接触,甚至薄膜脱落。因此,寻找制备能与SLG和CZTSSe紧密接触,性能稳定的背电极的方法和技术仍然是CZTSSe太阳能电池研究的重要问题之一。金属Cr与SLG的热膨胀系数的差值比Mo的小,与SLG的粘附力比Mo大。为此,本文开展以Mo/Cr复合背电极为制备技术,探究了Mo/Cr电极和硒化温度对CZTSSe太阳能电池PCE的影响规律和机制,取得如下创新性结果:(1)利用磁控溅射技术,采取先在SLG镀Cr然后再镀Mo的方法制备出Mo/Cr复合背电极。研究发现,与Mo背电极相比,Mo/Cr双层背电极的电阻率更小,与SLG的粘附性更强,稳定性更好。在Mo/Cr背电极上生长的CZTSSe薄膜比在Mo电极上生长的薄膜具有更好的晶体质量和与背电极更紧密的接触。与Mo背电极相比,Mo/Cr双层背电极可以提高CZTSSe电池的开路电压(V)、短路电流(J)和填充因子(FF),使CZTSSe太阳能电池的PCE从以Mo作为背电极的8.4%提高到了以Mo/Cr为背电极的9.6%。PCE的增加主要归因于开路电压(V)和填充因子(FF)的增加,FF和V的增加是由于用Mo/Cr背电极替代Mo背电极所引起的串联电阻和反向饱和电流密度的减少。(2)通过对沉积在Mo/Cr复合电极上的CuZnSnS前驱体在530-570℃硒化,制备出CZTSSe薄膜。并以所制备的CZTSSe为吸收层,制备出以Mo/Cr为复合电极的CZTSSe太阳能电池。发现从530℃到550℃,PCE随硒化温度的增加而增加,从550℃到570℃,PCE随硒化温度的增加而减小。在550℃时,PCE达到最高值9.3%。最佳硒化温度为540-550℃。综合电学参数在不同硒化温度下对光伏参数的影响规律,我们定量给出各电学参数对PCE的影响程度和机制。发现从530℃到550℃PCE的增加59.5%来自J的减少,22.4%来自J的增加,21.6%来自R的减小,其中J和R的减小归因于CZTSSe晶体质量的提高、Mo(S,Se)较薄并与CZTSSe接触好;J的增加归因于CZTSSe质量变好,导致光吸收提高。而从550℃到570℃PCE的减小56.6%归因于J的增加,25.3%归因于R的减小,12.8%归因于R的增加,其中J和R的增大可归因于Mo(S,Se)较厚与CZTSSe接触变差,R的减小可能是由于有二次相产生。

关键词：铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池钼-铬背电极硒化温度

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CIGS薄膜太阳能电池用背电极性能研究

燕山大学学报 2021年第5期45卷 415-423页

作者：姚婷婷彭塞奥王天齐甘治平李刚中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司浮法玻璃新技术国家重点实验室安徽蚌埠233000 中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司硅基材料安徽省实验室安徽蚌埠233000

CIGS薄膜太阳能电池的传统背电极中的导电层为了满足电阻要求,必须使用较厚的Mo薄膜作为电子传导层进行电流传输,同时作为电子触头与CIS半导体接触。但较厚的Mo薄膜导致背电极内部应力较大、薄膜制备速度慢且成本高,因此,需开发厚度小... 详细信息

CIGS薄膜太阳能电池的传统背电极中的导电层为了满足电阻要求,必须使用较厚的Mo薄膜作为电子传导层进行电流传输,同时作为电子触头与CIS半导体接触。但较厚的Mo薄膜导致背电极内部应力较大、薄膜制备速度慢且成本高,因此,需开发厚度小、应力小、成本低的新型背电极。新型背电极需要具有较高的电流传输能力,并且经过高温硒化处理后电学性能不变。同时,尽可能地降低薄膜厚度以便节约成本。有鉴于此,本工作提出了采用CuZn合金薄膜代替Mo薄膜作为导电层。X射线衍射仪、扫描电子显微镜及电学性能等测试结果表明,当Brass相CuZn薄膜的膜厚逐渐增加时,结晶特性逐渐变好。并且CuZn薄膜表现出较高的载流子浓度,形成背电极后,电流传输性能依然较好。CuZn薄膜可用于部分替代Mo薄膜,增强背电极导电性能,并减小背电极内部应力,同时节约成本。

关键词： Mo薄膜 CuZn薄膜背电极方块电阻导电层