Li掺杂对铜锌锡硫硒太阳电池的影响研究

开展了基于二甲基亚砜溶剂体系的溶胶凝胶法制备铜锌锡硫硒薄膜中掺杂Li的相关研究。对不同Li掺杂量的CZTSSe薄膜分别进行了表截面形貌、晶体结构、成分比例测试,结果表明:在CZTSSe薄膜中掺杂Li可以提升薄膜的结晶质量,且随着Li掺杂量的增加,结晶质量变好。分析原因为,高温硒化过程中形成的Li_(2)Se相辅助生长改善了薄膜的结晶质量,抑制了ZnCu和SnCu等施主能级缺陷生成。但是,同样发现在Li/Cu摩尔比为1%~10%之间存在阈值,过量的Li并不能进入晶格而富集在晶界处。对不同Li掺杂的CZTSSe薄膜进行太阳电池的制备,结果表明Li/Cu为1%的太阳电池具有最高的转换效率,达到8.5%。

阳离子掺杂措施优化铜锌锡硫硒电池性能的研究进展

铜锌锡硫硒(Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4),简称CZTSSe)薄膜太阳能电池因其组成元素地壳含量丰富,低毒环保等优点被科学家们认为是适合未来大面积发展的一类太阳能电池。当前,该类太阳能电池的效率一直受到吸收层中高的阳离子无序度和器件的低开路电压的限制。为此,科学家们提出“阳离子掺杂措施”,即:通过引入其他阳离子,减少本身的阳离子无序度,从而提高电池器件的光电转换效率。事实也证明,阳离子掺杂措施在提升电池器件性能方面有着重大的意义。基于此,详细阐述了阳离子掺杂措施在优化铜锌锡硫硒电池器件性能方面的研究进展,包括:阳离子(如:钠、钾、锑)的额外添加和阳离子取代(如:锂/银取代铜、锰/镁/钡/镉取代锌、锗取代锡)措施,并得出结论:最有前景的阳离子是镉和锗离子,考虑到镉的有毒性,所以锗应该是优化CZTSSe电池性能方面最有应用前景的一种元素。

铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池吸收层薄膜质量探究

铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池是低成本、有潜力的新型太阳能电池,其吸收层的质量决定太阳能电池器件的性能.溶液法是通过将预制膜硒化热处理来获得铜锌锡硫硒太阳能电池的吸收层材料,其中硒化处理是得到高质量吸收层的重要手段.为得到高质量吸收层,对硒化条件进行设计,分别从硒化程序组成(一步/两步硒化)、硒化温度及硒化时间3个方面探究了硒化过程对铜锌锡硫硒吸收层的相纯度、微观形貌及光电转换性能的影响.利用最优硒化参量制备电池器件,获得了5.72%的光电转换效率.

锑基硫化物铜锌锡硫硒薄膜的制备及研究

吸光层是薄膜太阳能电池进行光电转换的重要因素之一,因其晶粒增长问题的困扰,使得很多研究者都在寻找有效的解决办法。对于铜锌硒硫锡薄膜太阳能电池,提出了溶液法兼容的方法在吸光层的预制膜中间旋涂Sb_2S_3、CuSbS_2和NaS_5S_8的薄膜。通过高温硒化,这些包含锑基硫化物的吸光层的晶体与空白的比较,明显提高了晶粒的大小,并且这三种硫化物对晶体的生长促进作用是有区别的,他们对晶体生长的促进的能力顺序为:Sb_2S_3>CuSbS_2>NaSb_5S_8。实验数据表明,仅需要很少量的锑基硫化物,就能够对晶态的成长起到明显的促进作用。

硫代硫酸钠浓度对电沉积制备铜锌锡硫硒薄膜性质的影响(英文)

采用后硒化Cu-Zn-Sn-S电沉积预制层的方法制备了铜锌锡硫硒薄膜,其中Cu-Zn-Sn-S预制层是通过含有不同浓度的硫代硫酸钠电解液电沉积而成的.实验发现,硒化前后薄膜的性质与硫代硫酸钠浓度密切相关.SEM,EDS,XRD,Raman和透射光谱分析表明,当硫代硫酸钠的浓度为5 mM时,沉积的薄膜形貌平整,晶粒明显,组分贫锌,具有单一的铜锌锡硫硒结构,且其带隙为1.11 eV;在浓度高于5 mM下沉积的薄膜形貌粗糙并产生杂相硒化锡;在浓度低于5 mM下沉积的薄膜组分严重贫锌并生成大量的Cu2SnSe3.

铜锌锡硫硒(CZTSSe)薄膜的制备工艺及性能表征

本文以油胺为溶剂,采用液相法制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米颗粒,通过CZTS纳米浆滴涂法制备了CZTS薄膜,而后经固态硒源硒化工艺得到了CZTSSe薄膜,研究了制备工艺条件反应温度、气压、物质配比及退火温度等对样品的晶体结构及成分的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、热重-差示扫描量热法(TG-DSC)、能谱分析(EDAX)对制备的CZTS粉末和CZTSSe薄膜样品进行了表征,结果表明在化学计量比和保压的条件下可得到单相性较好的前驱体粉末,由此得到的CZTSSe薄膜在500℃的硒化退火温度下能够形成具有单一锌黄锡矿结构、结晶程度较好的薄膜;由EDAX的成分分析结果可知,薄膜具有贫铜的成分,而且,随着温度的升高,Se元素含量增加最后趋于平稳,而S元素含量先减少后有增加趋势。

铜锌锡硫硒太阳能电池Mo/CZTSSe界面调控研究进展

Cu_(2)ZnSn(S_(x),Se_(1-x))_(4)太阳能电池制备过程中Mo基底硒(硫)化反应产生较厚的Mo(S_(x),Se_(1-x))_(2),以及SnS(e)与ZnS(e)的生成与挥发在Mo/CZTSSe界面处产生的孔洞,是限制器件性能提升的重要原因。针对这些问题,总结了Mo(S_(x),Se_(1-x))_(2)和孔洞的生成原因及其对器件性能的影响。此外,还综述了金属氮化物、金属氧化物、金属硫化物等材料作为Mo/CZTSSe界面中间层在抑制Mo(S_(x),Se_(1-x))_(2)和孔洞产生中的作用。最后,展望了该领域未来的研究方向。

铜锌锡硫硒薄膜太阳电池研究进展

低成本薄膜太阳电池在光伏领域有着很大的发展空间和应用前景,铜锌锡硫硒(Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4),CZTSSe)薄膜太阳电池具有组成元素丰富、无毒、光吸收系数高、光学带隙合适、理论光电转换效率高和稳定性好等优点,是一种具有大规模应用潜力的新型薄膜太阳电池。本文将对铜锌锡硫硒薄膜太阳电池的发展、制备方法和研究现状进行介绍,并对报道过的铜锌锡硫硒薄膜太阳电池进行对比分析,概括目前铜锌锡硫硒薄膜太阳电池的成果及现状,最后阐明目前铜锌锡硫硒薄膜太阳电池所存在的问题并对其未来进行展望。

部分阳离子取代优化铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池性能研究进展

作为无机化合物薄膜太阳能电池中具有代表性的一类电池,铜锌锡硫硒(Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4),简称CZTSSe)薄膜太阳能电池因其组成元素地壳含量丰富、低毒等优点受到广泛关注。目前,吸收层的高缺陷密度和器件的低开路电压被认为是限制该类电池效率的两个关键因素。为了突破这两大困境,科研人员发展了阳离子取代方法,即通过引入其他阳离子取代CZTSSe晶格中的铜离子(Cu^(+))/锌离子(Zn^(2+))/锡离子(Sn^(4+)),改善薄膜中的有害缺陷、晶体结构、能带结构等性质,从而优化电池器件的性能。为了详细阐述阳离子取代措施在铜锌锡硫硒薄膜电池中的研究进展,本文从等价阳离子取代和不等价阳离子取代两方面进行分类介绍,并总结了各种阳离子取代措施在优化电池性能方面的优缺点。

烧结氛围对铜锌锡硫硒薄膜性质的影响

Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池吸收层的质量,受薄膜的烧结氛围影响,进而影响其电池器件的性能。利用溶液法,分别在氮气和空气两种氛围下制备Cu2ZnSn(S,Se)4吸收层薄膜,系统地研究烧结氛围对Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜性质的影响。首先,采用甲胺水溶液和硫代乙醇酸的混合溶液为溶剂,依次溶解S、Sn、Zn和Cu单质,配制Cu2ZnSnS4前驱体溶液;然后,通过旋涂/烧结的方法,分别在氮气气氛和空气中制得Cu2ZnSnS4预制薄膜,进一步对预制薄膜进行高温硒化处理,得到两种氛围的Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜;最后,经过XRD、Raman、SEM、C-AFM和I-V特性曲线等测试表征。结果发现:氮气气氛的Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜晶粒尺寸较大、表面形貌更均匀、结晶性和导电率较高,薄膜质量相对更佳,说明氮气氛围更有利于制备适合于高性能电池器件的Cu2ZnSn(S,Se)4吸收层薄膜。

真空法制备铜锌锡硫硒薄膜太阳电池的研究进展

真空法具有沉积速率快、重复性高以及成膜质量高等优势,有望成为大规模生产铜锌锡硫硒(Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4),CZTSSe)薄膜太阳电池的制备方法。主要介绍了热蒸发法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法等三种沉积CZTSSe薄膜的方法,阐述了采用真空法制备CZTSSe薄膜太阳电池的研究进展,同时对各种方法的优化途径(如退火条件优化、掺杂、背接触改善等)进行对比分析。最后,阐明了真空法的潜在优势以及存在的问题,并对未来发展进行展望。

基于刮涂法制备锂掺杂柔性铜锌锡硫硒薄膜太阳电池

锂掺杂有利于提高铜锌锡硫硒薄膜太阳电池的性能.然而,传统旋涂含锂前驱体溶液的掺杂策略在前驱膜的逐层沉积过程中,由于锂的再溶解而导致大量的锂流失.在本工作中,我们通过刮涂法在柔性钼箔衬底上制备了铜锌锡硫硒薄膜,实现锂的有效掺杂,并进一步研究了锂掺杂对器件性能的影响.随着锂掺杂含量的增加,吸收层晶粒尺寸变大,这可能与硒化过程中锂-硒液相的形成有关.而且,锂可以进入铜锌锡硫硒晶格中,并在吸收层的表面积累,从而钝化缺陷,提升p-n结质量.因此,适量的锂掺杂可以提高器件的性能.此外,本工作探索了锂-钠共掺的影响.有趣的是,与Li-10%样品相比,钠元素的引入增强了吸收层拉曼光谱在328 cm^(-1)处硫的振动信号.10%锂钠共掺可将柔性Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)薄膜太阳电池的效率进一步从6.62%提高到7.59%.本工作提供了一种基于刮涂法、简单有效的锂掺杂策略,并证明了锂-钠共掺存在相互作用机制.

具有陷光结构的半透明有机/铜锌锡硫硒四端串联太阳能电池

采用半透明有机太阳能电池和铜锌锡硫硒太阳能电池构成四端串联太阳能器件,并且利用表面具有微型金字塔结构的微米聚二甲基硅氧烷(PS-PDMS)膜的减反射作用来提高太阳能电池的效率。为了研究PS-PDMS的尺寸和放置位置对四端串联太阳能电池性能的影响。制备了尺寸分别为18μm、14μm和9μm微型金字塔结构的PS-PDMS薄膜,比较了不同尺寸下PS-PDMS薄膜的减反射效果,发现9μm尺寸的PS-PDMS薄膜的减反射效果最好。将9μm尺寸的PS-PDMS薄膜用在四端串联太阳能电池的底电池时,四端串联太阳能电池具有最佳效率。最终获得了效率为11.26%的四端串联太阳能电池。与单结铜锌锡硫硒太阳能电池相比,四端串联太阳能电池的最佳效率提高了27.51%。

4.3%铜锌锡硫硒太阳能电池组件

铜锌锡硫硒半导体材料组成元素储量丰富、绿色环保、稳定性高,由其制备的薄膜太阳能电池效率已接近15%的商业化基准线.然而,目前铜锌锡硫硒太阳能电池的研究主要集中于有效面积小于1 cm~2的单节电池,面向商业化应用的组件还未见报道.本文报道面积10.5 cm~2的铜锌锡硫硒太阳能电池组件,该组件基于二甲亚砜前体溶液法制备,效率达到4.25%.与单节电池相比,效率损失率为56.8%.扫描电子显微镜形貌及元素组成分析结果表明:通过激光(P1,P2)和机械(P3)划线成功实现了模块化和串联集成;溶液制备工艺在P1凹槽沉积了更厚的吸收层,有利于降低横向电荷传输电阻;在皮秒激光划线下未观察到吸收层材料的金属化.组件的成功制备将铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池向实际应用推进了一步.

铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池一价金属替位的研究进展

铜锌锡硫硒(CZTSSe)电池具有组成元素丰度高且环境友好、光吸收系数高、带隙可调、高稳定性等优点,是一类非常有发展前景的新型薄膜太阳能电池.目前,CZTSSe电池最高认证效率为12.6%,与商品化铜铟镓硒(CIGS)电池相比仍然有较大差距,特别是开路电压(VOC)和填充因子(FF)偏低.开压损耗是制约CZTSSe器件效率进一步提升的关键因素之一.其中,吸收层带尾态和深能级缺陷及界面能级不匹配是开压损耗大的主因,而Cu-Zn无序引起的铜锌替位(CuZn)与锌锡替位(SnZn)缺陷又是影响带尾态的关键因素,因此,减少CuZn和SnZn缺陷有助于提升VOC.一价金属替位能有效改善带尾态、构建合适能带结构,在一定程度上解决器件开压损耗问题.但是,有关一价金属替位如何影响CZTSSe电池性能,仍然缺乏全面系统的概述.本文综述了基于一价金属替位方法CZTSSe电池的研究进展.首先介绍CZTSSe电池的发展历程、工作原理、制备工艺和关键材料等;其次,详细讨论一价金属替位的理论研究;再次,结合实验进展,重点讨论一价金属部分替位及完全替位CZTSSe材料的制备及其对带尾态、界面缺陷和能带结构研究;最后,对一价金属替位研究的关键科学问题、未来发展潜力等进行讨论和展望,并提出可能的解决思路.

溶液法制备铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的研究进展

溶液法因其具有操作流程简单、材料利用率高以及成本低廉等潜在优势,被认为是一种很有发展前景和应用潜力的铜锌锡硫硒(Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4),CZTSSe)薄膜太阳能电池制备方法。本工作将溶液法的研究现状按喷雾热解法、基于浴的水溶液法、纳米粒子溶液法和直接溶液涂膜法进行分类介绍。通过分析和比较各种方法报道过的优化途径(如优化阳离子比例、烧结条件和硒化条件,以及掺入Na、Ge等金属元素),对溶液法制备的高性能Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)薄膜太阳能电池的当前研究成果进行综述,并总结了各种溶液法制备铜锌锡硫硒薄膜电池的优势和所存在的问题。展望其未来的发展,认为今后的研究重点应侧重于薄膜组成和反应途径,以寻求降低Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)吸收层的本征缺陷的方法。

铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池

光伏发电是将“取之不尽、用之不竭”的清洁能源太阳能直接转化为电能的一种新能源技术。大力发展光伏技术并促进其大规模应用是推进能源结构转型的重要途径。光伏发电是通过太阳能电池实现的,经过60多年的发展,涌现了各类太阳能电池,其中硅太阳能电池一直占据主导地位,极大地推动了光伏产业的大规模应用。但硅太阳能电池进一步降低成本愈发困难,而新型薄膜太阳能电池拥有低成本、高效率,且适于多场景应用的优点,成为明日之星。铜锌锡硫硒太阳能电池作为一种新型薄膜太阳能电池,其吸光系数高、弱光响应好、稳定性高、环境友好、组成元素储量丰富且价格低廉,具有很大的发展潜力,近年来受到越来越多的关注。文章重点介绍铜锌锡硫硒太阳能电池的工作原理、关键材料与器件的研究进展以及未来的发展前景。

铜锌锡硫硒太阳电池水性前驱体溶液中的配位调控

水性前驱体溶液法在制备半导体薄膜材料,尤其是新型铜锌锡硫硒(CZTSSe)薄膜方面,极具成本和环保优势.本文利用巯基乙酸分子配体制备CZTSSe水性前驱溶液,并系统研究了该体系中的配位化学机制.通过去质子化过程,对金属-巯基乙酸的配位结构进行了调控,实现了金属阳离子与巯基阴离子充分配位,从而释放了亲水的羧基以形成稳定的水性溶液.最终,作者制备出了光电转换效率达到12.3%(认证效率12.0%)的CZTSSe太阳电池,是目前非联胺体系中的最高效率.本工作是CZTSSe电池在溶液法制备上的一个显著进步,对于CZTSSe及其他金属硫化物光伏电池的发展具有重要意义.

基于原子无序和深缺陷态分析铜锌锡硫硒太阳能电池效率损失的机理

铜锌锡硫硒(CZTSSe)是具有前景的薄膜光伏材料,但目前其太阳能电池的效率仍受限于较大的开路电压损失.近年来,研究者们对CZTSSe太阳能电池效率损失的机理进行了一系列研究,但尚未有令人信服的结论.本综述对有关CZTSSe太阳能电池效率损失的潜在机理的研究结果进行了系统的总结和分析.讨论了CZTSSe材料中原子无序和深能级缺陷态的特征及其对器件性能的影响.提出了协同效应以辅助理解吸收层中缺陷态相关的电荷损失.此外,总结了缺陷态识别和调控的实验方法,并试图找到可导致CZTSSe中极短的少子寿命的关键缺陷态.通过全面和辩证地理解CZTSSe太阳能电池的缺陷特性,我们相信在研究人员的不懈努力下电池效率将很快有新的突破.

基于成分梯度策略制备高效率铜锌锡硫硒双面电池

使用透明导电氧化物玻璃作为铜锌锡硫硒(CZTSSe)薄膜太阳电池的衬底可拓展其应用范围,如双面电池、半透明电池或者叠层电池.目前,基于溶液法制备的该类太阳电池的光电转换效率仍低于6%.本文中,我们开发了一种成分梯度策略,并在空气环境中于掺氟二氧化锡衬底上制备出了光电转换效率为6.82%的CZTSSe薄膜太阳电池.成分梯度主要是通过沉积具有不同Zn/Sn比的分子前驱体溶液来实现的.为了证明电池性能的提高归因于成分梯度,而非单纯改变Zn/Sn比,本工作制备并比较了基于不同Zn/Sn比吸收层的器件性能.此外,本工作对有/无成分梯度的CZTSSe薄膜的结构和表面形貌进行了研究,并通过二次离子质谱分析证实了退火前后CZTSSe薄膜成分的深度梯度分布.研究发现,成分梯度策略改善了吸收层的结晶性,降低了吸收层的表面粗糙度及器件的寄生损耗,从而提高了填充因子、开路电压和转换效率.