青島能源所銅鋅錫硫硒太陽(yáng)能電池研究獲系列進(jìn)展
近期,青島能源所固態(tài)能源系統技術(shù)中心在高效銅鋅錫硫硒(CZTSSe)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果分別發(fā)表在Advanced Materials、Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A等世界知名期刊上。
CZTSSe太陽(yáng)能電池具有元素儲量豐富、成本低、穩定性高、無(wú)毒等諸多優(yōu)點(diǎn),目前其認證效率已經(jīng)突破14.9%,已經(jīng)達到光伏技術(shù)商業(yè)化的門(mén)檻。同時(shí),CZTSSe太陽(yáng)能可以直接兼容成熟的CIGS產(chǎn)業(yè)化路線(xiàn),在薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域展現出巨大的應用潛力。固態(tài)能源技術(shù)中心從2011年開(kāi)始布局硫化物半導體材料的研究,在新材料開(kāi)發(fā)、半導體薄膜制備以及器件開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了系統的研究工作,在硫化物光電材料、硫化物儲能方面取得了一系列突破性進(jìn)展。經(jīng)過(guò)十余年持續研究投入,在CZTSSe太陽(yáng)能電池方面實(shí)現了14.88%的第三方認證效率,在國際上處于該領(lǐng)域的第一梯隊。
CZTSSe材料的多元組分性質(zhì)導致了化學(xué)反應路徑的多樣性和相結構及缺陷性質(zhì)的復雜性,從而限制了其性能的提升,是目前該領(lǐng)域面臨的瓶頸問(wèn)題。針對這一挑戰,固態(tài)能源技術(shù)中心通過(guò)深入研究和創(chuàng )新策略,對體相及界面嚴重非輻射復合的難題提出了解決思路,顯著(zhù)提升了CZTSSe太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和光電轉換效率。
圖1. 固態(tài)能源技術(shù)中心高效銅鋅錫硫硒太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展
通過(guò)在CZTSSe吸收層上界面進(jìn)行In2Se3沉積后處理,團隊成功重建了異質(zhì)結界面,減少了深能級缺陷,形成表面弱n型缺陷,促進(jìn)CZTSSe吸收層表面的p-n轉換(Chemical Engineering Journal, 2023, 476, 146701),獲得13.6%的光電轉換效率。此外,研究團隊還進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化前驅體溶液成分,成功制備了結晶度增強、缺陷減少的CZTSSe吸收層,將光電轉換效率提高到14.1%(Small, 2023, 2308266)。通過(guò)繼續深入探究硒化過(guò)程中元素不均勻的潛在機制,揭示了Cu從吸收層向后界面擴散的現象。為解決這一問(wèn)題,團隊創(chuàng )新性地引入了Al2O3阻擋層,有效抑制了二次相和有害缺陷的形成,從而獲得了高度均勻的CZTSSe晶粒,使得光電轉換效率達到14.9%,VOC超過(guò)570 mV,并獲得14.6%的第三方認證效率(Advanced Materials, 202410.1002/adma.202400138)。
上述工作得到山東省自然科學(xué)基金重大基礎研究項目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰略先導項目、中國科學(xué)院青促會(huì )、山東省泰山學(xué)者計劃和山東能源研究院等項目的支持。(文/圖 李怡萌、魏浩、崔長(cháng)城、邵志鵬)
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