双离子掺杂策略提高铜锌锡硫硒太阳能电池效率

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锌黄锡矿结构(Kesterite)的铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4,CZTSSe)化合物是一种新型的太阳能电池吸光层材料,和其它类型的材料相比具有如下优势:(1)化合物由地壳中丰产无毒的元素组成;(2)CZTSSe属于直接带隙半导体,可以通过调节S/Se比例,使带隙在1-1.5 eV之间变动,与太阳能电池的最佳带隙非常接近;(3)CZTSSe光吸收系数超过104 cm-1。CZTSSe太阳能电池理论光电转换效率高达33%,但目前最高认证效率只有12.6%,与理论极限值有着巨大的差距。差的吸光层微结构性能和不良的CuZn反位缺陷等不足严重限制了CZTSSe电池效率的进一步提高。离子掺杂策略是解决这些缺点的一个有效手段。Li+、Ag+和Cd2+等离子的掺杂对提高CZTSSe太阳能电池的效率有着显著地作用。但是,先前的研究多集中于研究单离子掺杂对CZTSSe太阳能电池的影响,仅有极少数的工作报道了双离子掺杂策略。因此,本文研究了Li+、Ag+、Cd2+、Li+&Cd2+和Li+&Ag+等离子对CZTSSe太阳能电池的影响,取得了如下研究成果:(1)研究了Li+,Ag+和Cd2+单离子掺杂对CZTSSe太阳能电池效率的影响。我们利用N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂,CuCl和Cu(AC)2?H2O以1:1混合作为铜源,ZnCl2和SnCl2作为锌源和锡源,硫脲作为硫源,制备了CZTS前驱体溶液。通过在手套箱中旋涂加热制备了CZTS预制膜,然后硒化制备了CZTSSe硒化薄膜,然后沉积CdS、ZnO、ITO和Ag电极组装成CZTSSe太阳能电池,获得了6.18%的与报道文献相当的光电转换效率。然后在前驱体溶液中掺杂Li+,Ag+和Cd2+离子,掺杂浓度分别为1%(Li/(Cu+Zn+Sn))、5%(Ag/(Cu+Ag))和5%(Cd/(Zn+Cd))。通过XRD、Raman、SEM和J-V等测试,我们发现掺杂离子能够显著影响吸光层,CZTSSe的晶粒明显增大,掺杂Li+和Ag+的吸光层小颗粒层消失。同时,电池的器件性能也得到了明显地提高,掺杂Li+,Ag+和Cd2+离子的电池效率分别为7.60%、7.99%和7.11%,与未掺杂的CZTSSe太阳能电池相比,分别提高了22.9%、29.3%和15.0%。(2)研究了Li+&Ag+和Li+&Cd2+离子共掺杂对CZTSSe太阳能电池效率的影响。根据先前的文献报道,钠钙玻璃/钼基底上Li+离子掺杂CZTSSe能够钝化晶界缺陷,Ag+掺杂能够减少非辐射本征复合,Cd2+掺杂能够改善近价带位置受体状态的缺陷特征。因此,Li+&Ag+和Li+&Cd2+离子共掺杂能够同时抑制晶界缺陷和改善晶体内部性能。通过XRD、Raman、SEM和J-V等测试,我们发现双离子共掺杂对CZTSSe吸光层的影响更为显著,吸光层的微结构性能更好,对应的器件效率也更高。Li+&Ag+和Li+&Cd2+离子共掺杂的CZTSSe太阳能电池效率分别为8.87%和8.39%,与未掺杂的CZTSSe太阳能电池相比,分别提高了43.5%和35.8%,也显著高于单离子掺杂的CZTSSe太阳能电池。
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