硫属薄膜太阳能电池因其低成本、带隙可调和高输出性能而进入了一个蓬勃发展的时期，元素含量丰富的锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)是将CIGS中稀有贵金属In和Ga用元素Zn和Sn替换，不仅与CIGS有着相似的结构和光电学性能，也具备独特优点，如储量丰富、价格低廉、无毒害等。
由于锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)材料的相区较窄，通常使用贫铜组分的吸收层结构设计来避免杂相产生。虽然贫铜结构的锌黄锡矿Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)器件实现了较高的记录效率，但由于该结构准中性区电荷传输能力较差且背界面电荷复合严重，导致性能进一步提升的空间有限。相对而言，富铜结构的吸收层具有良好的电荷传输性能，可以弥补贫铜吸收层的不足。然而，其表面费米能级钉扎及电荷复合较大，引起的器件性能衰减更加严重。
河南大学武四新教授课题组基于贫铜组分在前界面以及富铜组分在背界面的优势，设计了一种三层（大晶粒/小晶粒/大晶粒）的铜梯度吸收层结构，底部铜含量较高而表面铜含量较低。较高的铜浓度可以增加载流子浓度，通过构筑载流子浓度梯度改善电荷传输驱动力。同时，高铜组分可以使吸收层价带上移，降低空穴的注入势垒，从而降低背界面复合。顶部的贫铜结构减缓了表面的费米能级钉扎并有利于界面能带弯曲的保持。铜梯度吸收层优良的电学性能使器件效率达到12.54%，对于后续铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的界面性能改善及吸收层结构优化具有重要的意义。
图1 CZTSSe前驱体薄膜沉积过程示意图和电荷转移过程
图2 不同Cu浓度CZTSSe电池PV性能参数统计图、J-V曲线、EQE曲线、扫描电镜图和载流子浓度比值
图3 不同Cu浓度CZTSSe电池EBIC图像、归一化强度曲线和TEM成像和EDS mappings
图4 吸收层前表面和背表面的UPS光谱、能带排列和EIS奈奎斯特图
文章信息
这一成果以“Local Cu Component Engineering to Achieve Continuous Carrier Transport for Enhanced Kesterite Solar Cells”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。河南大学赵越超和赵祥云为论文共同作者，武四新教授和寇东星副教授为论文的通讯作者。
文章链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21008。
本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司 “SCS100” 系列光电化学电池量子效率测试系统，如需了解该产品，欢迎咨询我司。
河南大学武四新教授课题组简介
河南大学武四新教授课题组名称：光电功能材料以及太阳能薄膜电池。课题组主要从事光电功能的设计、制备及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太阳能电池的转换效率。课题组期望通过对铜基薄膜太阳能电池各部分组件先进工艺和关键技术的探索和突破(薄膜微结构设计、缺陷态调控、表/界面钝化、能带结构优化以及微观动力学研究等方面)，开发出具有高结晶质量吸收层体相材料和优良电学性能接触界面的CZTSSe以及CIGS光伏器件并丰富其应用领域。
截止目前，本课题组已承担了各类项目10余项，其中，包括，自然科学基金、教育部新世纪人才支持计划、教育部科学技术重点项目、人事部归国留学人员 择优支持计划项目、河南省科技厅基础与前沿重点项目、河南省高校知识创新工程支持计划等，在国内外学术期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等发表学术论文50余篇。
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