1 渤海大学物理科学与技术学院, 锦州 121013
2 渤海大学化学与材料工程学院, 锦州 121013
用SCAPS构建了铜锑硫薄膜太阳电池模型, 计算了器件的性能。分别研究了吸收层厚度、载流子浓度、缺陷密度和背电极功函数对器件性能的影响。结果表明, 过薄的吸收层对绿光和红光吸收不充分, 1.5~3 μm厚的吸收层能满足光谱吸收要求。当受主浓度为2×1018 cm-3时, 器件光电转换效率最高。缺陷密度大于10-14 cm-3时, 器件的光电转换效率急剧降低。贫铜富硫气氛制备铜锑硫可以提高受主浓度, 减小开路电压亏损, 也可以抑制硫空位缺陷形成, 从而提高器件的光电转换效率。功函数较高的材料能降低背电极势垒, 减少载流子在背电极复合。材料参数优化后, 器件的光电转换效率最高为21.74%。
铜锑硫 薄膜太阳电池 开路电压亏损 缺陷密度 背电极 CuSbS2 thin film solar cell SCAPS SCAPS open circuit voltage deficit defect density back contact
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
2 Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Haikou 570228, China
Antimony selenide (Sb2Se3) is an emerging solar cell material. Here, we demonstrate that an organic small molecule of 4, 4', 4''-tris(carbazol-9-yl)-triphenylamine (TCTA) can efficiently passivate the anode interface of the Sb2Se3 solar cell. We fabricated the device by the vacuum thermal evaporation, and took ITO/TCTA (3.0 nm)/Sb2Se3 (50 nm)/C60 (5.0 nm)/Alq3 (3.0 nm)/Al as the device architecture, where Alq3 is the tris(8-hydroxyquinolinato) aluminum. By introducing a TCTA layer, the open-circuit voltage is raised from 0.36 to 0.42 V, and the power conversion efficiency is significantly improved from 3.2% to 4.3%. The TCTA layer not only inhibits the chemical reaction between the ITO and Sb2Se3 during the annealing process but it also blocks the electron diffusion from Sb2Se3 to ITO anode. The enhanced performance is mainly attributed to the suppression of the charge recombination at the anode interface.
Sb2Se3 thin-film solar cell passivation Journal of Semiconductors
2023, 44(8): 082701
1 中国科学院电工研究所, 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 安徽华晟新能源科技有限公司, 宣城 242000
在户外长期运行中, 不论是晶体硅太阳能电池还是薄膜太阳能电池, 都会受到电势诱导衰减(PID)的影响, 从而导致太阳能电池组件输出功率下降。尽管前人已经开展了许多研究, 但对PID现象的理解及解决方案仍旧不完整。本文主要介绍了晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池的PID现象成因及相关解决办法, 以促进人们对太阳能电池PID现象的深入理解, 以期对太阳能电池的稳定性研究提供指导性意见。
晶体硅太阳能电池 薄膜太阳能电池 电势诱导衰减 输出功率 户外长期运行 稳定性 crystalline silicon solar cell thin film solar cell potential-induced degradation output power long-term outdoor operation stability
1 常州大学材料科学与工程学院, 常州 213000
2 常州大学微电子与控制工程学院, 常州 213000
3 扬州大学, 扬州 225000
本文使用气相输运沉积的方式制备了硒化锑(Sb2Se3)薄膜太阳电池, 并采用氯化铯(CsCl2)溶液对器件上界面进行处理, 同时对薄膜和器件进行了一系列表征。研究发现, CsCl2溶液的背接触处理不仅可以提高器件的载流子收集以及降低上界面复合, 还可以优化薄膜的结晶性、表面粗糙度和光电性能。基于FTO/CdS/Sb2Se3/CsCl2/Au的器件结构, 得到了转换效率为6.32%的高效Sb2Se3薄膜太阳电池, 比基础器件效率提升了12%。本文的工作对Sb2Se3薄膜太阳电池未来的研究有一定的指导作用, 其他同类型半导体光伏器件也可借鉴。
硒化锑 氯化铯 背接触处理 薄膜太阳电池 气相输运沉积技术 薄膜光电性能 Sb2Se3 CsCl2 back contact treatment thin film solar cell vapor transport deposition thin film photoelectric performance
云南师范大学, 云南省农村能源工程重点实验室, 昆明 650500
本文采用溶液法制备铜锌锡硒(Cu2ZnSnSe4, CZTSe)薄膜。通过在溶液中加入少量的锗(Ge), 探究Ge的引入对CZTSe薄膜及其器件性能的影响。为了对比分析, 分别制备了不含Ge的CZTSe和含少量Ge的铜锌锡锗硒［Cu2Zn(Sn, Ge)Se4, CZTGSe］两组薄膜及其薄膜太阳电池。分别利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔(Hall)测试、电流-电压(J-V)曲线和外量子效率(EQE)测试等手段对吸收层薄膜的晶体结构、相的纯度、表面形貌、载流子浓度, 以及完整器件的电学性能进行表征和分析。结果表明, 在CZTSe薄膜中引入少量Ge可以与Se形成液体流动剂, 提升吸收层薄膜结晶度, 改善晶体质量, 减少晶界数量, 降低光生载流子在晶界处的复合, 提高载流子寿命。此外, Ge对Sn的部分取代可以降低与Sn有关的缺陷态密度, 增加带隙, 提高开路电压, 同时改善串联电阻和并联电阻, 提高填充因子。最终获得了开路电压为513.2 mV、短路电流为27.47 mA/cm2、填充因子为62.68%、光电转换效率为8.83%的CZTGSe薄膜太阳电池。
铜锌锡硒薄膜 薄膜太阳电池 溶液法 硒化处理 光电转换效率 Cu2ZnSnSe4 thin film thin film solar cell Ge Ge solution method selenization photoelectric conversion efficiency
1 四川大学 材料科学与工程学院, 成都 610064
2 英飞睿(成都)微系统技术有限公司, 成都 610299
3 江苏鹏举半导体设备技术有限公司, 南通 226010
为了反映器件几何尺度上各个区域的性能分布, 采用波长为852 nm且可调聚焦面积的激光束作用在CdTe薄膜太阳电池的P-N结微区表面, 产生定域诱导光致电流响应, 并通过设置样品台的步进方式, 得到了所测器件在几何面积范围内的微区光谱响应分布图, 获得更直观的器件电流分布均匀性和P-N结特性。结果表明, 这种测试方式能够简化且低成本地建立与CdS/CdTe异质结制作技术密切相关的沉积与后处理工艺参数和材料特性的联系, 进而获得异质结界面分布均匀性与太阳电池电流-电压(I-V)特性参数均匀性的对应关系。该研究可为提高太阳电池的性能提供实验测试依据。
激光技术 微区光谱响应 激光诱导 CdTe薄膜太阳电池 laser technique local spectral response laser-induced CdTe thin-film solar cell
1 云南师范大学云南省农村能源工程重点实验室, 昆明 650500
2 云南师范大学云南省光电信息技术重点实验室, 昆明 650500
晶体质量是决定铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4, CZTSSe)吸收层薄膜吸收效率的关键, 旋涂是溶液法制备CZTSSe吸收层的第一步, 因此旋涂方式的选择至关重要。为了探究不同旋涂方式对CZTSSe吸收层薄膜质量和相应器件性能的影响, 分别采用三组不同的旋涂方式制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4, CZTS)前驱体薄膜及CZTSSe吸收层薄膜, 并利用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、显微拉曼光谱仪(Raman)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析了不同旋涂方式对所制备的CZTSSe吸收层薄膜晶体结构、元素成分、相纯度、表面形貌的影响。同时, 采用电流密度-电压(J-V)测试和外量子效率(EQE)测试对CZTSSe吸收层薄膜太阳电池的光电特性进行了表征。结果表明: 旋涂7周期, 且第一周期烘烤之前旋涂2次的效果最好, 所制备的CZTS前驱体薄膜均匀, 无裂纹, CZTSSe吸收层薄膜结晶度更高, 薄膜表面更平整致密, 晶粒大小更均匀, 实现了9.63%的光电转换效率。通过对采用不同旋涂方式制备的器件的性能参数进行统计分析, 得出新的旋涂方式可以提高CZTSSe薄膜太阳电池的可重复性, 为将来可能的大规模商业化应用做铺垫。
薄膜太阳电池 旋涂方式 光电转换效率 溶液法 硒化处理 Cu2ZnSn(S,Se)4 Cu2ZnSn(S,Se)4 thin film solar cell spin coating mode photoelectric conversion efficiency solution method selenization
1 上海空间电源研究所，上海 200245
2 上海航天技术研究院，上海 201109
太阳电池阵可以将光能转换为电能，是航天器能源系统的重要组成，而利于光伏效应制成的太阳电池是能源获取的重要载体。通过从硅电池到砷化镓电池、从单结到多结技术的应用发展，结合晶格失配、多结生长、倒装结构及薄膜化等半导体相关制备技术分析了各种空间太阳电池的现状及应用前景。根据其基板结构及型式，对体装式、刚性、半刚性、柔性及聚光太阳电池阵的特点及未来发展方向进行了叙述，为实现高效率、轻量化、高质量功率比的电池电路能源功能提供技术支持。
太阳电池 三结砷化镓 反向生长多结电池 薄膜电池 太阳电池阵 solar cell triple junction gallium arsenide inverted metamorphic multi-junction cell thin film solar cell solar cell array
1 内蒙古师范大学物理与电子信息学院 内蒙古自治区功能材料物理与化学重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010020
2 内蒙古自治区稀土功能和新能源储能材料工程研究中心, 内蒙古 呼和浩特 010020
3 内蒙古大学 物理科学与技术学院, 内蒙古 呼和浩特 010021
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(Cu2ZnSn(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(Zn2+)/锡离子(Sn4+), 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。
薄膜太阳能电池 铜锌锡硫硒 阳离子取代 thin film solar cell Cu2ZnSn(S,Se)4 cation substitutions
1 吉林大学珠海学院, 广东 珠海 519041
2 黄山学院 信息工程学院, 安徽 黄山 245041
3 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
探讨复合绒面ZnO：Al光栅对薄膜硅太阳能电池光俘获效率的影响.织构了由关联长度（lcor）和平均高度（have）表征的绒面，叠加到周期为980 nm和槽深为160 nm的一维正弦ZnO：Al光栅上，形成复合绒面ZnO：Al光栅.前电极AZO光栅，当lcor较小和have较大时，电池的短路电流较高.若lcor取0.01，则短路电流随have的增大而升高，由have=0.05时的21.93 mA/cm2增加到have=0.80时的23.80 mA/cm2.置于背电极且lcor=0.01时，短路电流随have的增加而逐渐减小，由have=0.05时的25.50 mA/cm2降到have=0.80时的24.81 mA/cm2.采用直流溅射和化学腐蚀方法分别制备了无绒面ZnO：Al光栅和lcor=0.01，have=0.14的复合绒面ZnO：Al光栅.反射率测试结果表明，复合绒面ZnO：Al光栅总反射率（8.3%）较无绒面ZnO：Al栅（10.2%）降低了1.9%，镜面反射率（4.7%）较无绒面ZnO：Al栅（6.8%）降低了2.1%.以实验制备的两种光栅为模型用严格耦合波方法进行模拟，计算结果表明与无绒面ZnO：Al光栅相比，复合绒面ZnO：Al光栅的总反射率和镜面反射率均显著下降.复合绒面ZnO：Al光栅由于具有较好的减反作用更适合用作薄膜电池前电极，从而得到更高的短路电流；而无绒面ZnO：Al光栅因具有较高的反射适用于背电极，能将到达背电极的光子重新返回硅吸收层而获得更高的陷光效率.
绒面 光栅 薄膜电池 短路电流 反射率 Rough surface Grating Thin film solar cell Short-circuit current Reflectivity
