辛顥等人: 最小Voc損失！12.4%效率的 CZTSSe太陽(yáng)能電池

開(kāi)路電壓損失(V_oc,def)大是制約鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTSSe太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵因素, 目前世界紀(jì)錄效率(12.6%) CZTSSe電池的 V_oc,def為0.345 V. 南京郵電大學(xué)辛顥教授等人以SnCl₄和SnCl₂·2H₂O為錫前驅(qū)體，研究了二甲基亞砜(DMSO)溶液法制備的CZTSSe太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓損失問(wèn)題。

                           

研究發(fā)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的錫前驅(qū)體化合物與有機(jī)配體硫脲(Tu)和溶劑DMSO發(fā)生不同的配位反應(yīng),使得從溶液到CZTSSe吸光層薄膜的反應(yīng)路徑截然不同. Sn²⁺與Tu配位導(dǎo)致前驅(qū)體薄膜中SnS、 ZnS和Cu₂S的生成, 這些硫化物在硒化過(guò)程中首先轉(zhuǎn)化成硒化物而后逐步熔合生成CZTSSe, 其反應(yīng)路徑中多物相的轉(zhuǎn)化和熔合導(dǎo)致薄膜光電性能差, 由該薄膜獲得的最優(yōu)器件有效面積效率僅為 8.84%, Voc,def 為0.391 V. 而Sn⁴⁺與DMSO配位, 該前驅(qū)體溶液經(jīng)退火直接得到組成均勻的CZTS前驅(qū)體薄膜。

在硒化過(guò)程中CZTS直接發(fā)生取代反應(yīng)生成CZTSSe, 得到的CZTSSe薄膜組成均勻, 光電性能優(yōu)異, 由該薄膜制備的器件有效面積效率達(dá)到12.2%, V_oc,def降低至0.344 V. 此外, CZTSSe薄膜性質(zhì)的不同導(dǎo)致CZTSSe/CdS異質(zhì)結(jié)熱處理(JHT)結(jié)果的不同. JHT顯著提高了Sn⁴⁺器件的性能, 卻略微 降低了Sn²⁺器件的性能。

最終, 由Sn⁴⁺溶液獲得了全面積效率為 12.4%, 有效面積效率高達(dá)13.6%, V_oc,def低至0.297 V的CZTSSe太陽(yáng)能電池器件。通過(guò)控制溶液中化學(xué)組成獲得組成均勻的CZTS預(yù)制膜是獲得高效CZTSSe電池薄膜材料和降低器件 V_oc,def的關(guān)鍵。

本報(bào)道不僅為進(jìn)一步提高CZTSSe電池效率提供了新 的思路, 而且實(shí)現(xiàn)了V_oc,def首次低于0.30 V, 預(yù)示了CZTSSe未來(lái)的應(yīng)用前景。

 

Gong,Y., Zhang, Y., Jedlicka, E. et al. Sn⁴⁺ precursor enables 12.4%efficient kesterite solar cell from DMSO solution with open circuit voltagedeficit below 0.30 V. Sci. China Mater. (2020).

https://doi.org/10.1007/s40843-020-1408-x

辛顥教授課題組研究主要涉及溶液法制備薄膜太陽(yáng)能電池，包括銅鋅錫硫（CZTSSe），銅銦鎵硒（CIGS）和鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池。通過(guò)溶液化學(xué)調(diào)控多元化合物半導(dǎo)體薄膜的光電性能和光伏性能是該課題組的研究特色。（1）通過(guò)加壓硒化由DMF溶液實(shí)現(xiàn)高效（15.2%）的富銅（Cu-rich）CIGS電池；（2）以金屬配合物為前驅(qū)體化合物避免金屬離子水解，由水溶液獲得了效率超過(guò)12%的CIGS電池；（3）通過(guò)控制溶液中金屬離子之間的氧化還原反應(yīng)、鋰離子摻雜、前驅(qū)體化合物金屬離子價(jià)態(tài)的選擇等手段逐漸將DMSO溶液制備的CZTSSe電池效率由4%逐步提高到目前的12%以上，并將CZTSSe開(kāi)路電壓損失降低到新的記錄。