全面积效率12.4%、开路电压损失低于0.30 V的CZTSSe太阳能电池:Sn^4+前驱体在DMSO溶液中的使用

开路电压损失(Voc,def)大是制约锌黄锡矿结构CZTSSe太阳能电池效率的关键因素,目前世界纪录效率(12.6%)CZTSSe电池的Voc,def为0.345 V.本文分别以SnCl4和SnCl2·2H2O为锡前驱体研究二甲基亚砜(DMSO)溶液法制备的CZTSSe太阳能电池的开路电压损失问题.研究发现不同价态的锡前驱体化合物与有机配体硫脲(Tu)和溶剂DMSO发生不同的配位反应,使得从溶液到CZTSSe吸光层薄膜的反应路径截然不同.Sn^2+与Tu配位导致前驱体薄膜中SnS、ZnS和Cu2S的生成,这些硫化物在硒化过程中首先转化成硒化物而后逐步熔合生成CZTSSe,其反应路径中多物相的转化和熔合导致薄膜光电性能差,由该薄膜获得的最优器件有效面积效率仅为8.84%,Voc,def为0.391 V.而Sn^4+与DMSO配位,该前驱体溶液经退火直接得到组成均匀的CZTS前驱体薄膜,在硒化过程中CZTS直接发生取代反应生成CZTSSe,得到的CZTSSe薄膜组成均匀,光电性能优异,由该薄膜制备的器件有效面积效率达到12.2%,Voc,def降低至0.344 V.此外,CZTSSe薄膜性质的不同导致CZTSSe/CdS异质结热处理(JHT)结果的不同.JHT显著提高了Sn4+器件的性能,却略微降低了Sn^2+器件的性能.最终,由Sn4+溶液获得了全面积效率为12.4%,有效面积效率高达13.6%,Voc,def低至0.297 V的CZTSSe太阳能电池器件.研究结果表明通过控制溶液中化学组成获得组成均匀的CZTS预制膜是获得高效CZTSSe电池薄膜材料和降低器件Voc,def的关键.本报道不仅为进一步提高CZTSSe电池效率提供了新的思路,而且实现了Voc,def首次低于0.30 V,预示了CZTSSe未来的应用前景.