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NaF和CsF協(xié)同摻雜的高效鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池研究

隨著能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，廣大科研工作者開始致力于研發(fā)替代傳統(tǒng)能源的新型能源補(bǔ)給方式。太陽(yáng)能電池作為一種取之不盡的清潔能源廣受關(guān)注。其中，銅鋅錫硫硒薄膜電池作為第三代太陽(yáng)能電池，具備儲(chǔ)量豐富、低毒性、理論效率高等優(yōu)勢(shì)，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色光伏材料。2013年Mitzi等人利用非真空肼溶液法率先創(chuàng)造了12.6%的世界效率記錄，自此經(jīng)過(guò)多年發(fā)展依然停留在12.6%，遠(yuǎn)低于GIGS太陽(yáng)能電池的23.35%。由于CZTSSe電池固有的體缺陷/缺陷簇和晶面/晶界問(wèn)題，導(dǎo)致其開路電壓（Voc）和填充系數(shù)（FF）是阻礙鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池突破Shockley-Queisser效率。
 

在鋅黃錫礦電池中摻雜堿金屬（AMs）可以有效地促進(jìn)熱載體冷卻，減少缺陷導(dǎo)致的輻射重組，從而提高光伏性能。近年來(lái)，堿金屬沉積后處理(PDT)工藝使Cu(In,Ga)Se2太陽(yáng)能電池世界效率取得連續(xù)突破。然而，對(duì)于其衍生的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 太陽(yáng)能電池而言，受內(nèi)部缺陷化學(xué)環(huán)境和相結(jié)構(gòu)不同的影響，不同體系得到的堿金屬后處理效果規(guī)律并不一致，有效的堿金屬種類和作用機(jī)制仍不清晰。
 

河南大學(xué)武四新教授課題組通過(guò)宏觀和微觀性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，輕堿金屬和重堿金屬的作用機(jī)制有所不同。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步采用先NaF-PDT后再進(jìn)行CsF-PDT后沉積的方式協(xié)同作用以提高CZTSSe太陽(yáng)能電池的光伏性能。該研究成果對(duì)于深入理解銅鋅錫硫硒薄膜太陽(yáng)能電池中堿金屬的作用機(jī)制以及后續(xù)的高效光伏器件開發(fā)具有重要的參考和借鑒意義。

 

圖1 堿金屬協(xié)同后處理CZTSSe太陽(yáng)能電池中Na和Cs的分布及主要作用機(jī)制

 

在本文中，研究不同堿金屬（Li, Na, K, Rb和Cs）對(duì)電池的提高效率，并綜合分析了堿金屬元素分布、缺陷環(huán)境、晶界電勢(shì)的演化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，排序?yàn)镹a > K> Cs > Rb > Li。

 

圖2 堿金屬沉積后示意圖及其J-V曲線；排序?yàn)镹a > K> Cs > Rb > Li

 

Na原子隨機(jī)分布在晶粒內(nèi)部（GI）和晶界（GBs）中，顯著增加受體濃度并鈍化深能級(jí)缺陷，主要提升器件開路電壓(Voc)。而Cs原子富集在GBs處，可以增加GBs電勢(shì)以提高器件FF。二者對(duì)GI和GB電學(xué)性能的協(xié)同增效有效提升了器件的Voc和FF，器件效率達(dá)12.16%。

 

圖3 SIMS深度剖面、STEM GB圖、堿元素在GB上的分布剖面、提取的載流子濃度、J-V曲線和Na-Cs協(xié)同加入CZTSSe太陽(yáng)能電池的外部量子效率
 

在本文中，河南大學(xué)武四新教授課題組提出了一種Na-Cs雙堿金屬協(xié)同方案，可有效克服開路電壓（Voc）和填充系數(shù)（FF）阻礙，從而突破鋅黃錫礦太陽(yáng)能電池的Shockley-Queisser效率。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了輕堿金屬和重堿金屬的作用機(jī)制區(qū)別，采用先NaF-PDT后再進(jìn)行CsF-PDT后沉積的方式協(xié)同作用以提高CZTSSe太陽(yáng)能電池的光伏性能，器件效率達(dá)12.16%。該研究成果對(duì)于后續(xù)的高效光伏器件開發(fā)具有重要的參考和借鑒意義。

文章信息
這一成果以“Synergistic Incorporation of NaF and CsF PDT for High Efficiency Kesterite Solar Cells: Unveiling of Grain Interior and Grain Boundary Effects”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。河南大學(xué)常曉歡和符俊杰為共一作者，武四新教授和寇東星副教授為論文的通訊作者。
文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA08224D

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “SCS100” 系列光電化學(xué)電池量子效率測(cè)試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。


SCS10-PEC光電化學(xué)電池測(cè)量系統(tǒng)（圖）

 

河南大學(xué)武四新教授課題組簡(jiǎn)介
河南大學(xué)武四新教授課題組名稱：光電功能材料以及太陽(yáng)能薄膜電池。課題組主要從事光電功能的設(shè)計(jì)、制備及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。課題組期望通過(guò)對(duì)銅基薄膜太陽(yáng)能電池各部分組件先進(jìn)工藝和關(guān)鍵技術(shù)的探索和突破(薄膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、缺陷態(tài)調(diào)控、表/界面鈍化、能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及微觀動(dòng)力學(xué)研究等方面)，開發(fā)出具有高結(jié)晶質(zhì)量吸收層體相材料和優(yōu)良電學(xué)性能接觸界面的高效CZTSSe以及CIGS光伏器件并豐富其應(yīng)用領(lǐng)域。

截止目前，本課題組已承擔(dān)了各類項(xiàng)目10余項(xiàng)，其中，包括，國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)人才支持計(jì)劃、教育部科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目、人事部歸國(guó)留學(xué)人員 擇優(yōu)支持計(jì)劃項(xiàng)目、河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿重點(diǎn)項(xiàng)目、河南省高校知識(shí)創(chuàng)新工程支持計(jì)劃等，在學(xué)術(shù)期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。


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