Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳电池研究进展

Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTS)材料具有与Cu(In,Ga)Se2(CIGS)材料相似的光学性质和半导体性质,且原料丰富,是CIGS薄膜太阳电池重要的后备材料。有关CZTS薄膜制备工艺的研究和电池器件转换效率提升的研究正成为本领域新的研究开发热点。目前,有实力的薄膜太阳电池研究队伍已经针对CZTS薄膜太阳电池开展了持续的研究,试图通过不同的CZTS吸收层制备方式和优化电池组装工艺过程,进一步提高CZTS薄膜太阳电池的光电转换效率。文章阐述了CZTS材料特性,着重介绍了目前国内外所采用的CZTS薄膜制备方法,详细讨论了各种薄膜沉积技术的优缺点。最后展望了CZTS电池的发展趋势。     

PbI2对钙钛矿薄膜及太阳电池性能的影响

碘化铅(PbI₂)是两步法制备钙钛矿薄膜最常使用的金属卤化物前驱体,精确控制PbI₂在钙钛矿薄膜中的含量和空间分布以及优化PbI₂薄膜的形貌结构对于制备高效稳定的太阳电池具有重要意义。探索了PbI₂的浓度和退火方式对钙钛矿薄膜及太阳电池性能的影响。研究发现,PbI₂溶液的浓度不仅决定钙钛矿薄膜中PbI₂的含量,也影响钙钛矿的晶粒尺寸、取向及光学吸收等性质,从而导致器件性能的改变,当钙钛矿薄膜表面分布约45%的PbI₂时器件性能更佳。此外,PbI₂的形貌、结晶性和孔隙度受退火方式的影响显著,与溶剂退火相比,通过短暂的1 min热退火制备的PbI₂薄膜更有利于减少钙钛矿表界面缺陷,提升器件的开路电压,最终使器件的基础光电转换效率(PCE)可以提升至20.89%。上述研究结果有助于进一步优化钙钛矿太阳电池制备工艺,提升器件性能。     

金属Cr阻挡层对柔性不锈钢衬底Cu(In,Ga)Se2太阳电池性能的影响

研究了Cr扩散阻挡层对柔性不锈钢衬底Cu(InxGa1-x)Se2(CIGS)太阳电池性能的影响.XRD和SEM分析表明,Cr阻挡层能够部分阻挡Fe等杂质从不锈钢衬底热扩散进入CIGS吸收层中,同时可以显著降低CIGS吸收层的粗糙度,提高薄膜结晶质量.从衬底扩散进入吸收层中的Fe元素以FeInSe2的形式存在,并形成FeCu等深能级缺陷,钝化了器件的性能.相同工艺条件下,在玻璃、不锈钢以及不锈钢/Cr阻挡层上所制备电池的(有效面积0.87cm2)转换效率分别为10.7%,7.95%和8.58%,不锈钢衬底电池效率的提高归因于Cr阻挡层的作用.     

金属Cr阻挡层对柔性不锈钢衬底Cu(In,Ga)Se2太阳电池性能的影响

研究了Cr扩散阻挡层对柔性不锈钢衬底Cu(InxGa1-x)Se2(CIGS)太阳电池性能的影响.XRD和SEM分析表明,Cr阻挡层能够部分阻挡Fe等杂质从不锈钢衬底热扩散进入CIGS吸收层中,同时可以显著降低CIGS吸收层的粗糙度,提高薄膜结晶质量.从衬底扩散进入吸收层中的Fe元素以FeInSe2的形式存在,并形成FeCu等深能级缺陷,钝化了器件的性能.相同工艺条件下,在玻璃、不锈钢以及不锈钢/Cr阻挡层上所制备电池的(有效面积0.87cm2)转换效率分别为10.7%,7.95%和8.58%,不锈钢衬底电池效率的提高归因于Cr阻挡层的作用.     

Na-Bi共掺对Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响

Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜因其元素储量高、较佳的光学带隙、优异的电学性能等优势而得到广泛关注。以硝酸铋为铋源、乙酸钠为钠源,采用溶胶-凝胶法制备Na-Bi掺杂的CZTS薄膜。研究Na-Bi共掺对CZTS薄膜的物相结构、微观形貌、光学性能以及光电性能的影响。结果表明,制备的薄膜为锌黄锡矿结构。Na和Bi元素的掺入对薄膜的微观形貌影响较大。固定Na的原子数分数为1%,随着Bi元素原子数分数的增加,薄膜的晶粒尺寸先增大后减小,均匀性逐渐提高,光敏性先增大后减小,光学带隙逐渐增大。当Na和Bi原子数分数分别为1%和0.5%时,薄膜的光学带隙为1.42 eV,光敏性最佳为1.17。     

CdS薄膜的结构特性及其对Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池的影响

报道了CdS薄膜的CBD法沉积及其结构特性,其中的水浴溶液包括硫脲、乙酸镉、乙酸铵和氨水溶液.研究了水浴溶液的pH值、温度、各反应物溶液的浓度和滴定硫脲与倾倒硫脲等基本工艺参数对CdS薄膜结构特性的影响.其中,溶液的pH值对CdS薄膜的特性起着关键的作用.XRD图显示了随着溶液pH值的变化,薄膜的晶相由六方相向立方相转变.CdS薄膜的这两种晶相对CIGS薄膜太阳电池性能的影响不相同.c-CdS(立方相的CdS)与CIGS之间的晶格失配和界面态密度分别为1.419%和8.507×1012cm-2,而h-CdS(六方相的CdS)与CIGS之间的晶格失配和界面态密度则分别为32.297%和2.792×1012cm-2.高效CIGS薄膜太阳电池需要的是立方相CdS薄膜.     

硒化温度对Cu(In, Al)Se2薄膜结构和光学性质的影响

采用了磁控溅射制备Cu-In-Al金属前驱体薄膜,后硒化快速退火得到铜铟铝硒(Cu(In,Al)Se2,CIAS)薄膜.研究了硒化温度对CIAS薄膜晶体结构和光学性质的影响.研究发现CIAS薄膜的晶体结构依赖于硒化温度,其禁带宽度随硒化温度升高发生红移.研究结果表明,CIAS薄膜的最佳硒化温度为540℃,其晶体结构为纯黄铜矿结构,禁带宽度为.34 eV,对应太阳电池理论最大效率的吸收层材料禁带宽度     

Bi掺杂对溶胶-凝胶法制备Cu2ZnSnS4薄膜性能影响的研究

Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜太阳电池因其具有较佳带隙、组成元素丰富、理论转换效率高等优点,而被广泛研究。采用溶胶-凝胶法制备了Bi掺杂的CZTS薄膜,研究了Bi掺杂量对薄膜的微观形貌、物相结构和光电性能的影响。研究结果表明,所制备的薄膜为锌黄锡矿结构的CZTS。Bi元素的掺入对薄膜形貌影响很大,晶粒尺寸先增大后减小,薄膜更致密、更均匀。随着Bi掺杂含量增加,CZTS薄膜的光学带隙呈上升趋势,光电流响应先增大后减小。当Bi掺杂浓度为1%时,CZTS薄膜综合性能最佳。     

MgF2/Se薄膜封装层对OLED性能及寿命的影响

有机电致发光器件(OLEDs)在使用过程中,易受到 空气中水汽、氧气及其它污染物的影响从而导致其工作寿命降低。本文将具有良好光透过率 和热稳定性的MgF₂薄膜与在水汽和氧气中具有良好稳定性的Se薄膜通过真空蒸镀制成复 合薄膜作为OLEDs的封装层,以达到提高器件使用寿命的目的。器件各功能层蒸镀完成后, 保持真空度(3×10－4 Pa)不变,在阴极表面蒸镀MgF₂/Se薄 膜封装层。比较 了绿光OLED器件(器件结构为ITO/CuPc/NPB/Alq₃:C-545T/Alq ₃/LiF/Al)封装前后的亮度-电压-电流密度特性、电致发光光谱及寿命。研究 发现,经过MgF₂/Se封装后,器件的电流密度-电压特性、亮度和发光光谱几乎没 有受到影响,二者的光谱峰都在528 nm处,色坐标(CIE)分别为(0.3555,0.6131)和(0.3560,0.6104),只是起亮电压由3V变为4V;器件的寿命由原来的175h变为300h,提高了1.7倍 。因此,MgF₂/Se薄膜是一种有效的OLEDs无机薄膜封装层。     

CdS薄膜的结构特性及其对Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池的影响

报道了CdS薄膜的CBD法沉积及其结构特性,其中的水浴溶液包括硫脲、乙酸镉、乙酸铵和氨水溶液.研究了水浴溶液的pH值、温度、各反应物溶液的浓度和滴定硫脲与倾倒硫脲等基本工艺参数对CdS薄膜结构特性的影响.其中,溶液的pH值对CdS薄膜的特性起着关键的作用.XRD图显示了随着溶液pH值的变化,薄膜的晶相由六方相向立方相转变.CdS薄膜的这两种晶相对CIGS薄膜太阳电池性能的影响不相同.c-CdS(立方相的CdS)与CIGS之间的晶格失配和界面态密度分别为1.419%和8.507×1012cm-2,而h-CdS(六方相的CdS)与CIGS之间的晶格失配和界面态密度则分别为32.297%和2.792×1012cm-2.高效CIGS薄膜太阳电池需要的是立方相CdS薄膜.     

Cu(In,Ga)Se2材料成分对其电池性能的影响

利用三步共蒸发法制备铜铟硒薄膜太阳电池中的吸收层CIGS薄膜，采用多种测试手段，研究其成分比例与薄膜的电阻率、载流子浓度、表面粗糙度之间的关系电阻率为1e2～1e3Ω·cm之间，是Cu、III族元素、Se配比较为合适的区域载流子浓度在1e15～1e16cm-3范围内，薄膜表面粗糙度是随着Cu/(Ga+In)比呈下降趋势，Cu越多，表面越光滑，当Cu/(Ga+In)比超过1.25以后，变化趋势逐渐减弱. 当Cu/(Ga+In)比在1.0附近时，粗糙度处于30～60nm之间. 在上述范围内，研制出转换效率为12.1%的CIGS薄膜太阳电池.     

基于Zn(4-TfmBTZ)2的OLED的电致发光光谱调控

将不同浓度的二[2-(4,三氟甲基-2-羟基苯基)](Zn(4-TfmBTZ)2)掺杂到mcp层中制备了有机电致发光器件(OLED),器件的结构为ITO/NPB(40nm)/[Zn(4-TfmBTZ)28%:mcp](30nm)/Bphen(40nm)/LiF(1nm)/Al(200nm)。结果发现,Zn(4-TfmBTZ)2的掺杂浓度极大地影响器件的光谱和色度。在mcp层中,Zn(4-TfmBTZ)2质量分数为8%时,Zn(4-TfmBTZ)2与电子传输层Bphen形成的激基复合物发射较强;但在掺杂浓度达到50%时,激基复合物的发射非常弱,几乎消失。由此通过mcp中Zn(4-TfmBTZ)2掺杂浓度的调节,实现了器件从蓝光色坐标为(0.22,0.27)到白光色坐标为(0.29,0.34)发射的调控。     

(Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8薄膜的激光感生电压效应

采用紫外脉冲激光沉积技术和高低温沉积工艺,在LaAlO3(100)平衬底及倾斜衬底上成功制备了c轴取向的(Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8[(Bi,Pb)-2212]薄膜;研究了在倾斜LaAlO3(100)单晶衬底上生长的(Bi,Pb)-2212薄膜激光感生热电电压信号与沉积条件及入射激光能量的关系。为避免(Bi,Pb)-2212薄膜被激光剥蚀或蒸发,还初步研究了MgO保护层对(Bi,Pb)-2212薄膜激光感生电压信号的作用,结果表明MgO层能够显著增强激光感生热电电压效应。     

用于太阳电池吸收层的Cu2ZnSnS4薄膜的制备及其光电特性

采用真空蒸镀技术在钠钙玻璃衬底上蒸镀Cu/Sn/ZnS前驱体,在氮气保护下,硫化制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜.运用X射线衍射仪(XRD)、Hall效应测试仪、紫外-可见光(UV-VIS)分光光度计对样品进行了表征分析,研究了前驱体中预计原子比对CZTS薄膜的晶体结构及光电特性的依赖关系.通过对蒸发源Cu的质量的控制与微调,获得了具有单一相类黝锡矿结构的CZTS薄膜,其对可见光的光吸收系数大于104cm-1、光学禁带宽度约为1.51eV,薄膜的电阻率、载流子迁移率和载流子浓度分别为1.46Ω·cm,4.2cm2/(V·s)和2.37×1018cm-3,适合作为薄膜太阳电池的吸收层.