45 / 2021-10-28 10:50:33

有序空位化合物可控形成制备高效溶液法CIGS薄膜太阳能电池

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溶液工艺制备的Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)薄膜太阳能电池在光伏市场上具有成本竞争力，但与真空法相比仍有一定的效率差距。回顾CIGS太阳能电池的发展历史，发现在高效率真空法制备的CIGS薄膜表面存在一层薄的(2V_Cu+In_Cu)缺陷化合物(OVC)。贫铜的OVC具有很多好处：OVC通常存在于CIGS吸收层表面，能够通过降低价带最大值(VBM)使CIGS吸收层的表面带隙变宽，从而形成空穴势垒；同时，由于OVC与CIGS晶体结构相似，因此能够形成埋藏的同质结改善P-N结的界面质量；另外，OVC有助于淬灭CIGS中深能级的In_Cu缺陷，减少载流子复合。

在真空法的制备过程中可以实时调节每种元素的沉积速率，能够精确控制沉积的CIGS吸收层的薄膜厚度和化学成分，因而可以准确控制OVC层的形成。然而，通过溶液工艺形成OVC的研究还很有限。目前由于制备的CIGS薄膜的贫铜组分，大多数OVC相通常是无意形成的。一般来说，基于溶液法的CIGS吸收层是通过快速一步高温后硒化(硫化)工艺制备的。由于高温下原子强烈的相互扩散，很难控制元素沿厚度方向的分布。因此，精确控制OVC形成是溶液法中的重要挑战。此外，OVC含量对器件效率的影响尚不清楚。因此，通过调控CIGS表面的OVC含量，可以进一步提高溶液法制备CIGS器件的效率。

我们提出了有效的通过溶液工艺实现CIGS吸收层表面OVC可控形成的方法。通过在常规Cu组分的CIGS前驱膜上引入明显的贫铜组分CIGS表面层，在前驱体薄膜中构造一个表面贫铜的Cu含量梯度。同时降低硒化温度，抑制元素的相互扩散。硒化处理后可获得贫铜的OVC。成功地实现了OVC相的可控形成后，通过系统细致地调整CIGS表层贫铜OVC的含量，研究了OVC含量与器件性能的关系。通过优化OVC含量，相应CIGS太阳能电池的转换效率可达到16.39%，这是非肼溶液法制备的CIGS器件的最高效率。这表明可控的高温硒化能够形成OVC，并制备出高效的基于溶液工艺的CIGS太阳能电池。