太阳能电池材料-铜锌锡硫化合物薄膜制备及器件应用研究进展

锌黄锡矿结构的CZTS（铜锌锡硫）材料与目前在薄膜太阳能电池领域表现出色的黄铜矿结构的CIGS（铜铟镓硒）材料具有相似的晶体结构,且CZTS有着很好的光电性能,组成元素在地球上含量丰富,安全无毒,非常适合用来发展高效、廉价的太阳能电池.近期CZTS类太阳能电池的最高效率已达到12.6%,在科研和产业领域引起了广泛关注.在简介了“新星”太阳能电池材料CZTS的性质及薄膜太阳能电池器件的基本结构之后,重点总结了CZTS薄膜的制备方法（真空、非真空法）以及相应器件效率,其中对众多非真空制备法进行了独到的归类总结.最后,对CZTS薄膜的优化方法进行了分析,并对其未来发展方向做了展望.     

溶剂热法制备球状Cu2ZnSnS4纳米晶及其表征

通过简单的溶剂热法合成了锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米晶,使用L-半胱氨酸作硫源和络合剂,以金属氯化物作前驱体,在180°C下反应16h成功获得了CZTS微球.使用X射线衍射(XRD)仪,场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能量色散谱(EDS)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、多功能X射线光电子能谱仪(XPS)、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计对产物的物相、结构、形貌及光学性能进行表征.结果表明:所得的产物为纯相锌黄锡矿结构的CZTS纳米颗粒,CZTS微球直径为400-800nm,并可观察到微球是由大量厚度约20nm的纳米片构成;将CZTS颗粒均匀分散在异丙醇中,测试后估算其禁带宽度约1.58eV,与薄膜太阳能电池所需的最佳禁带宽度相近.并对其形成机理进行了初步探讨.     

Sb掺杂ZTO透明导电薄膜的结构和性能

采用溶胶凝胶法和旋涂法制备Sb掺杂钙钛矿结构ZTO(ZnSnO_3)透明电薄膜,并借助XRD、SEM、XPS、UV-Vis和Hall效应测试等手段研究了其结构和性能。比较了Sb离子单独置换ZnSnO_3晶体中的Zn2+或Sn4+,以及同时置换Zn2+和Sn4+等3种置换方式所得薄膜的结晶状态,分析了不同置换方式形成的薄膜中Sb离子实际占有的晶格位置,以及Sb5+与Sb~(3+)的比例变化。探讨了不同置换方式晶体中氧空位(VO)、锌间隙(Zni)和锡离子变价(SnSn″)等结构缺陷相应的含量变化,并研究Sb离子掺杂浓度对薄膜晶体结构、结构缺陷和电阻率的影响。研究表明,3种置换方式的Sb掺杂ZTO薄膜均保持单一ZnSnO_3晶相,并且Sb离子均按设计的方案进入了相应的晶格位置,但不同置换方式的薄膜中,Sb5+与Sb~(3+)的比例不同,并且会随Sb离子浓度增大而逐渐减小。研究证明Sb离子置换方式以及掺杂浓度均会显著影响薄膜中载流子的浓度和迁移率,从而影响其电性能。在所制备的薄膜中,Sb离子单独置换Zn2+且组成为Sb_(0.15)Zn_(0.35)Sn_(0.5)O_(1.5)的薄膜电阻率最低,为0.423Ω·cm。此外,所有Sb掺杂ZTO薄膜在360~800 nm波长范围内透过率均在78%以上。     

TiCl4水解法制备的阻挡层对染料敏化太阳能电池光电性能的影响

通过不同浓度的TiCl₄溶液水解, 在光阳极导电玻璃(FTO)基底上制备了阻挡层薄膜, 以此来抑制FTO表面的光生电子与I₃^-之间的复合反应, 采用X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射分别测试了阻挡层薄膜的组成, 用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计测试了阻挡层的形貌和对光的透过率, 在AM1.5和暗环境下分别测试了染料敏化太阳能电池(DSSC)的光电性能. 实验结果表明: 用此方法可以获得由TiO₂粒子组成的阻挡层薄膜; 阻挡层薄膜的形貌随着TiCl₄溶液浓度的增加而改变, 它的厚度随着TiCl₄溶液浓度的增加而增加; 引入阻挡层后, FTO对光的透过率都会下降; 这一薄膜的引入可以提高电池的光电性能, 用0.04 mol·L^-1的TiCl₄溶液制备的阻挡层对暗电流的抑制作用最为明显, 电池在AM1.5的条件下测试, 转换效率最高达7.84%.     

铜锌锡硫的合成及其光电应用

铜锌锡硫(CZTS)半导体常作为对电极材料被应用于量子点敏化太阳能电池(QDSCs)中,然而效率一直低于4%。本文采用热注入法合成出纳米尺寸的CZTS并制成对电极(CZTS/FTO),用其组装的Cd Se QDSCs和Cd Se Te QDSCs的效率(PCE)分别达到了5.75%和7.64%。电化学阻抗谱、塔菲尔极化等表征证明电池效率的提高与CZTS良好的导电性及催化活性联系密切。     

铜锌锡硫的合成及其光电应用

铜锌锡硫(CZTS)半导体常作为对电极材料被应用于量子点敏化太阳能电池(QDSCs)中,然而效率一直低于4%。本文采用热注入法合成出纳米尺寸的CZTS并制成对电极(CZTS/FTO),用其组装的CdSe QDSCs和CdSeTe QDSCs的效率(PCE)分别达到了5.75%和7.64%。电化学阻抗谱、塔菲尔极化等表征证明电池效率的提高与CZTS良好的导电性及催化活性联系密切。     

太阳能电池通过掺杂测试

近期,《自然-通讯》期刊报道了一种控制掺杂(Doping)的方法,能提高薄膜太阳能电池的效率。新技术有助于制造低成本太阳能电池。制造薄膜太阳能电池比制造传统硅太阳能电池要便宜,但薄膜太阳能电池一般效率很低。掺杂是指在材料中掺入少量金属元素,这种方法有助提高薄膜太阳能电池效率,但制造过程有机会破坏材料的电子特性。瑞士联邦材料科学与技术实验室Lukas Kranz教授与其研究团队现在克服了这个障碍,成功在碲化镉(CdTe)太阳能电池中掺入铜。他们利用气相沉积法和温热处理法仔细地控制掺杂在CdTe     

染料敏化La~(3+)掺杂的TiO_2纳晶薄膜制备及其光电性能

采用溶胶-凝胶法制备出La3+掺杂的TiO2纳米粉体材料,通过料浆喷涂工艺制得掺杂La3+的TiO2薄膜并将其以N719染料敏化制成染料敏化太阳能电池(DSSC)。以X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和DSSC测试系统对制得的La3+掺杂的TiO2纳米粉体材料、相应的La3+掺杂的TiO2薄膜以及制成的DSSC分别进行测试表征,研究了La3+掺杂对TiO2晶型和染料敏化太阳能电池性能的影响。XRD测试结果表明,La3+的掺杂改善了TiO2的颗粒分布;电池的测试结果说明,La3+掺杂量为0.5%,煅烧温度为450℃时制备的纳米TiO2膜DSSC电池性能最佳,光电转换效率达1.926%。     

Cu(In,Ga)Se_2薄膜组成表面分析准确测量国际关键比对

中国计量科学研究院参加了国际关键比对K129,采用X射线光电子能谱仪(XPS)建立了测量薄膜太阳能电池材料铜铟镓硒(CIGS)薄膜组成和深度成分分布的有效方法。采用合适的条件,对CIGS薄膜进行深度剖析,提出并完善了一套XPS深度剖析数据处理方法(全计数法和相对灵敏度因子法),对薄膜组成进行了准确测量。结果表明,该方法的测量重复性良好,5次测量的相对标准偏差(RSD)均小于2%,测量扩展不确定度优于4%,与其他国家计量院的结果取得等效一致。对比研究了不同灵敏度因子来源(由参考样品获得、仪器数据库的3种来源)对CIGS薄膜组成测量结果的影响,结果表明,仪器厂商数据库自修正的灵敏度因子最接近于参考样品,可较好地对CIGS薄膜进行原子含量测量。该方法可推广用于表面分析设备深度剖析薄膜样品时定量计算薄膜成分,提高测量薄膜成分的准确度,为薄膜太阳能电池材料研发和产业化提供参考依据。     

骨架结构多孔TiO2薄膜增强染料敏化太阳能电池性能

以空心球状TiO₂为基体、以片状TiO₂为骨架,采用刮刀法制备了染料敏化太阳能电池的多孔TiO₂光阳极薄膜。光电转化效率测试结果表明,当作为骨架支撑材料的片状TiO₂含量为20wt%时,光阳极薄膜组装成太阳能电池的光电转化效率达到最高值4.53%,比商业P₂₅制备的无孔无骨架TiO₂薄膜电池(4.06%)及无骨架结构的多孔TiO₂薄膜电池(4.17%)的性能均有显著提高。当片状TiO₂的最佳含量为20wt%电池薄膜厚度为33μm时,太阳能电池光电转化效率进一步提升为7.06%。光电性能增强的原因是骨架结构有利于快速传输电子并增大染料吸附量。本研究通过设计制备具有骨架结构的多孔TiO₂薄膜为提高染料敏化太阳能电池性能提供了新的思路。