銅鋅錫硫硒化物(Cu2ZnSn(S,Se)4.簡稱CZTSSe)薄膜太陽能電池因其環(huán)保、低成本和高穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。純硫化物Cu2ZnSnS4(CZTS)是基于硒的kesterite材料中的重要分支。通過合金化金屬元素(如Cd、Ge或Ag)，CZTS帶隙可以在1.3–2.1 eV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
然而，純硫化kesterite電池的光電性能仍面臨重大瓶頸，認(rèn)證效率多年來仍保持在11%左右。主要限制因素在于開路電壓(VOC)較低。梯度帶隙是緩解這些問題的一種很有前途的方法，但由于圍繞控制元素分布的挑戰(zhàn)，還沒有在鋅黃錫礦太陽能電池中有效地實(shí)現(xiàn)。
近日，中國科學(xué)院物理研究所Kang Yin, Jinlin Wang, Licheng Lou, Fanqi Meng，Jiangjian Shi，羅艷紅Yanhong Luo & 孟慶波Qingbo Meng等，在Nature Energy上發(fā)文，提出了一種通過Cd合金化的預(yù)結(jié)晶策略，成功實(shí)現(xiàn)了溶液處理CZTS的梯度帶隙工程。
圖1: 預(yù)結(jié)晶對硫化過程的影響。
圖2: 元素和能帶梯度。
圖3: 薄膜和器件的光電特性。
圖4: 光伏器件的性能。
一方面，預(yù)結(jié)晶策略誘導(dǎo)了CZTS薄膜中的均勻成核，從而減少了薄膜生長過程中強(qiáng)烈的垂直質(zhì)量傳輸;另一方面，改善了CZTS的初始晶體質(zhì)量，進(jìn)而提高了Cd的擴(kuò)散屏障。這些綜合效應(yīng)使得在CZTS吸收層中成功實(shí)現(xiàn)了顯著的Cd梯度。
Cd梯度CZTS具有以導(dǎo)電帶為主導(dǎo)的梯度帶隙，顯著促進(jìn)了載流子的輸運(yùn)。Cd豐富的CZTS表面改善了kesterite/CdS的導(dǎo)電帶對準(zhǔn)，并減少了界面缺陷。還實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證的全面積電池效率為13.16%，并顯著降低了VOC損失，相比于先前的研究結(jié)果取得了顯著進(jìn)展。這些成果標(biāo)志著純硫化kesterite太陽能電池的一大突破。
參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
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