CZTS薄膜太阳能电池无镉缓冲层材料的研究进展

摘要

cqvip:Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳能电池是单结转换效率最高(~22.6%)的光伏器件,但In、Ga是稀缺元素,从而限制了CIGS电池的产业化。新型材料Cu 2ZnSnS 4(CZTS)是结构与光电性能均与CIGS十分相似的直接带隙半导体材料,它在CIGS器件结构中可替代CIGS吸收层,并得到新型CZTS薄膜太阳能电池。与CIGS相反,CZTS的原料丰富、无毒。大量研究表明,CZTS薄膜太阳能电池具有较高的转换效率和良好的稳定性,且可采用低成本、非真空的溶液法薄膜沉积技术来制造,因此CZTS器件是一种低成本、环境友好、极具产业化前景的薄膜太阳能电池。CZTS器件具有与CIGS器件一样的堆层结构{SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/n-ZnO},目前转换效率最高(~12.6%)的CZTS器件仍沿用CIGS器件的CdS缓冲层,因而大规模生产与应用中存在高毒重金属镉污染的危险,寻找能替代CdS的无镉缓冲层材料来消除潜在的镉污染问题十分必要。此外,与高效率的{CIGS/CdS}器件相比,{CZTS/CdS}器件界面的能带匹配可能并不是最优,CZTS器件的转换效率还远不如CIGS器件,因此需要寻找新的无镉缓冲层材料。在确定新缓冲层材料时,必须考虑{CZTS/新缓冲层}界面的能级对齐效应。CIGS和CZTS器件的缓冲层新材料基本上可归纳为3种半导体材料:硫化物、硫氧化物、氧化物。这些材料的薄膜均可用化学浴(CBD)法等多种方法来制备。材料选取很大程度上取决于其与CZTS或CIGS吸收层接触所形成界面上的导带带阶情况,因为导带带阶对器件性能参数有很大的影响。大的正导带带阶(尖刺状带阶)对少子(电子)收集存在一个势垒而降低短路电流密度J sc;相反,负导带带阶(断崖状带阶)导致缓冲层与吸收层界面上的复合增大而降低了开路电压V oc;理想情况是器件有一个小(0~0.4 eV)的正导带带阶(尖刺状带阶),正如在使用CdS缓冲层的CIGSSe器件中所发现的那样。为了研发低成本、环境友好的CZTS电池器件的新型缓冲层材料,本文综述了CZTS和CIGS器件的无镉缓冲层材料的研究进展,讨论了无镉缓冲层材料的选用条件,以及多种硫化物(如ZnS和In2S3)、硫氧化物(如Zn(S,O)和In(S,O,OH))、氧化物(如ZnO、TiO2、Zn1-x MgxOy和Zn 1-x-SnxOy等)薄膜作为CZTS缓冲层的性能特点(特别是它们的导带带阶)以及存在的问题,探讨了其发展方向。对于含硒CZTSSe器件,In2S3、Zn(S,O)是良好的无镉缓冲层材料,而对于更环保、低成本的全硫CZTS器件,Zn1-xMgxOy和Zn1-xSnxOy可提供良好性能的缓冲层。