隨著能源危機、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，廣大科研工作者開始致力于研發(fā)替代傳統(tǒng)能源的新型能源補給方式。太陽能電池作為一種取之不盡的清潔能源廣受關(guān)注。其中，銅鋅錫硫硒薄膜電池作為第三代太陽能電池，具備儲量豐富、低毒性、理論效率高等優(yōu)勢，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色光伏材料。2013年Mitzi等人利用非真空肼溶液法率先創(chuàng)造了12.6%的世界效率記錄，自此經(jīng)過多年發(fā)展依然停留在12.6%，遠低于GIGS太陽能電池的23.35%。由于CZTSSe電池固有的體缺陷/缺陷簇和晶面/晶界問題，導(dǎo)致其開路電壓（Voc）和填充系數(shù)（FF）是阻礙鋅黃錫礦太陽能電池突破Shockley-Queisser效率。
在鋅黃錫礦電池中摻雜堿金屬（AMs）可以有效地促進熱載體冷卻，減少缺陷導(dǎo)致的輻射重組，從而提高光伏性能。近年來，堿金屬沉積后處理(PDT)工藝使Cu(In,Ga)Se2太陽能電池世界效率取得連續(xù)突破。然而，對于其衍生的鋅黃錫礦Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 太陽能電池而言，受內(nèi)部缺陷化學(xué)環(huán)境和相結(jié)構(gòu)不同的影響，不同體系得到的堿金屬后處理效果規(guī)律并不一致，有效的堿金屬種類和作用機制仍不清晰。
河南大學(xué)武四新教授課題組通過宏觀和微觀性能對比發(fā)現(xiàn)，輕堿金屬和重堿金屬的作用機制有所不同。以此為基礎(chǔ)，進一步采用先NaF-PDT后再進行CsF-PDT后沉積的方式協(xié)同作用以提高CZTSSe太陽能電池的光伏性能。該研究成果對于深入理解銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池中堿金屬的作用機制以及后續(xù)的光伏器件開發(fā)具有重要的參考和借鑒意義。
圖1 堿金屬協(xié)同后處理CZTSSe太陽能電池中Na和Cs的分布及主要作用機制
在本文中，研究不同堿金屬（Li, Na, K, Rb和Cs）對電池的提升效率，并綜合分析了堿金屬元素分布、缺陷環(huán)境、晶界電勢的演化關(guān)系。實驗表明，排序為Na > K> Cs > Rb > Li。
圖2 堿金屬沉積后示意圖及其J-V曲線；排序為Na > K> Cs > Rb > Li
Na原子隨機分布在晶粒內(nèi)部（GI）和晶界（GBs）中，顯著增加受體濃度并鈍化深能級缺陷，主要提升器件開路電壓(Voc)。而Cs原子富集在GBs處，可以增加GBs電勢以提高器件FF。二者對GI和GB電學(xué)性能的協(xié)同增效有效提升了器件的Voc和FF，器件效率達12.16%。
圖3 SIMS深度剖面、STEM GB圖、堿元素在GB上的分布剖面、提取的載流子濃度、J-V曲線和Na-Cs協(xié)同加入CZTSSe太陽能電池的外部量子效率
在本文中，河南大學(xué)武四新教授課題組提出了一種Na-Cs雙堿金屬協(xié)同方案，可有效克服開路電壓（Voc）和填充系數(shù)（FF）阻礙，從而突破鋅黃錫礦太陽能電池的Shockley-Queisser效率。設(shè)計實驗驗證了輕堿金屬和重堿金屬的作用機制區(qū)別，采用先NaF-PDT后再進行CsF-PDT后沉積的方式協(xié)同作用以提高CZTSSe太陽能電池的光伏性能，器件效率達12.16%。該研究成果對于后續(xù)的光伏器件開發(fā)具有重要的參考和借鑒意義。文章信息這一成果以“Synergistic Incorporation of NaF and CsF PDT for High Efficiency Kesterite Solar Cells: Unveiling of Grain Interior and Grain Boundary Effects”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。河南大學(xué)常曉歡和符俊杰為共一作者，武四新教授和寇東星副教授為論文的通訊作者。文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA08224D
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “SCS100” 系列光電化學(xué)電池量子效率測試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
SCS10-PEC光電化學(xué)電池測量系統(tǒng)（圖）
河南大學(xué)武四新教授課題組簡介河南大學(xué)武四新教授課題組名稱：光電功能材料以及太陽能薄膜電池。課題組主要從事光電功能的設(shè)計、制備及光伏性能的研究，希望能改善薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。課題組期望通過對銅基薄膜太陽能電池各部分組件先進工藝和關(guān)鍵技術(shù)的探索和突破(薄膜微結(jié)構(gòu)設(shè)計、缺陷態(tài)調(diào)控、表/界面鈍化、能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及微觀動力學(xué)研究等方面)，開發(fā)出具有高結(jié)晶質(zhì)量吸收層體相材料和優(yōu)良電學(xué)性能接觸界面的CZTSSe以及CIGS光伏器件并豐富其應(yīng)用領(lǐng)域。
截止目前，本課題組已承擔(dān)了各類項目10余項，其中，包括，自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)人才支持計劃、教育部科學(xué)技術(shù)重點項目、人事部歸國留學(xué)人員 擇優(yōu)支持計劃項目、河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿重點項目、河南省高校知識創(chuàng)新工程支持計劃等，在學(xué)術(shù)期刊Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.以及J. Mater. Chem. A等發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。
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