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Cu2ZnSnS4,突破10%的功率转化效率

第一作者:Chang Yan, Jialiang Huang, Kaiwen Sun.

第一单位:澳大利亚新南威尔士大学

通讯作者:Fangyang Liu, Xiaojing Hao

 

硫铜锡锌矿Cu2ZnSnS4(CZTS)是一种四元化合物半导体,具有无毒、高效、低成本等优点,作为下一代光伏技术的优秀候选材料而引起了人们的广泛关注。CZTS的带隙为1.5eV,接近单结太阳能电池所需的最佳带隙。当与其他元素(如Ge或Ag)合金化时,CZTS的带隙可以很容易的在很宽的范围内调整,这使得其可以匹配Si基串联电池堆高带隙要求。CZTS制造的光伏器件是目前薄膜太阳能电池中效率最高的器件之一,高性能CZTS电池的开发可被认为是开发PV充分发挥其潜力的关键先决条件。然而CZTS目前的最高效率已经停滞在9%左右,远低于33%的平衡限制效率和高带隙CuInxGa1-xS2(CIGS)电池的效率。这主要是由于存在大量的VOC缺陷。

这种VOC缺陷主要由以下几个因素导致:1、带尾部相关的大量带电缺陷;2、在CZTS电池后部的MoS2层;3、二次相共存和在CZTS / CdS异质结界面处不利的带对准。

Cu2ZnSnS4,突破10%的功率转化效率

图1 |光电器件性能为11.0%的太阳能电池。 a,有和没有优化HT的设备性能参数的统计框图。红星表示最佳电池的效率。b,使用HT工艺的最高效率Cu2ZnSnS4器件的认证J-V曲线和c,EQE曲线。

Cu2ZnSnS4,突破10%的功率转化效率

图2 | 重组起源分析。 a, b对于具有和不具有热处理(HT)工艺的装置,在470nm(a)和640nm(b)的激发波长下的归一化时间分辨光致发光衰减。 c,使用双二极管模型拟合其Suns-VOC曲线,获得有和没有HT的器件性能参数。  d,有和没有HT工艺的器件的温度相关开路(VOC-T)测量。 

 

Cu2ZnSnS4,突破10%的功率转化效率

图3 | 元素相互扩散和高分辨率成像。 a,具有和不具有热处理(HT)工艺的异质结的XPS元素分布。 b,采用HT工艺的CZTS装置的明场TEM横截面图像,左侧显示相应的装置结构示意图。 c,在CdS / CZTS接口附近区域拍摄的滤波原子分辨率HAADF图像。 d,一行阳离子中的强度分布用红色矩形标记,显示阳离子交换(Cd占据Cu / Zn位点)。

 

在本文中,作者通过异质结的后热处理,使CZTS太阳能电池在标准平方厘米大小的单元格和非标准大小的单元格效率均> 10%。通过时间分辨光致发光(TRPL),温度依赖性VOC和太阳-VOC测量证实,CZTS / CdS异质结的热处理极大地减少了异质结非辐射复合。TEM和拉曼测量揭示了由于热处理诱导的元素相互扩散而形成的新相。此外,SIMS证实了异质结中的Na积累,APT揭示了含Na纳米级团簇以及Cu的缺乏,表明可能形成Cu2-xNaxZnSnS4相。因此,在p-n界面处建立了更有利的带对准。

Cu2ZnSnS4,突破10%的功率转化效率

图4 | Na的积累。 a,b异质结的SIMS元素分布,没有(a)和有(b)HT过程。 c,3D Na分布,由APT在具有HT的10.5%效率CZTS太阳能电池装置上显示。 红色箭头表示CZTS的晶界,而黑色箭头表示圆圈区域中典型的含Na簇。 d,典型Na簇的Proxigram。 距离零对应于聚类表面的位置,到聚类外部的负距离,以及到聚类内部的正距离。 误差线表示置信区间。

 

 

Chang Yan, Jialiang Huang, Kaiwen Sun, Steve Johnston, Yuanfang Zhang1, Heng Sun, Aobo Pu, Mingrui He, Fangyang Liu, Katja Eder, Limei Yang, Julie M. Cairney, N. J. Ekins-Daukes, Ziv Hameiri, John A. Stride, Shiyou Chen, Martin A. Green and Xiaojing Hao, Cu2ZnSnS4 solar cells with over 10% power conversion efficiency enabled by heterojunction heat treatment, Nature energy 2018, DOI:10.1038/s41560-018-0206-0.

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