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研究进展

研究进展

武四新课题组在Adv. Mater.报道锌黄锡矿铜锌锡硫硒吸收层表面钝化的研究进展

来源: 河南大学材料学院    日期:2024-01-11   浏览次数:

近日,武四新教授课题组与陕西师范大学刘生忠教授课题组合作,在Cu2ZnSn(S,Se)4CZTSSe)吸收层薄膜表面钝化研究方面取得新进展。相关成果以“Modifying Surface Termination by Bidentate Chelating Strategy Enables 13.77% Efficient Kesterite Solar Cells”为题,于2024年1月9日以Research Article形式在国际材料顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表。文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202311918

锌黄锡矿的Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)薄膜作为一种无毒、资源丰富、高光吸收系数和带隙与太阳光谱匹配的光伏器件材料,在光伏领域中收到广泛关注。尽管它具有优良的环境可持续性和潜在的成本优势,但目前的器件效率较低成为阻碍CZTSSe发展的主要瓶颈。研究表明,影响CZTSSe太阳能电池性能的主要因素是其较大的开路电压损耗。限制开路电压进一步提高的一个重要原因是其表面存在大量的物理缺陷、不利的能带排列以及由CZTSSe/CdS异质结界面处费米能级钉扎引起的能带弯曲不足,导致非辐射载流子复合。因此,构建具有少量缺陷和低复合率的异质结界面被认为是实现高效CZTSSe太阳能电池的重要策略。

CZTSSe多晶薄膜的表面不连续性会产生大量的“悬挂”键,从而不可避免的引入大量的电子陷阱和表面态,从而极大促进电子-空穴对的非辐射复合并损害器件性能。本研究使用密度泛函理论(DFT)指认了CZTSSe薄膜表面的金属结合位点,并在实验上设计了一种全新的钝化剂——二乙基二硫代氨基甲酸钠(NaDDTC),对CZTSSe吸收层表面进行后处理。研究发现,NaDDTC分子可以通过强健的双齿螯合作用与CZTSSe薄膜的表面金属位点配位,有效减少表面未配位缺陷,并使电子陷阱态得到钝化。进一步研究结果表明,这种界面缺陷控制可以抑制载流子的非辐射复合,改善能带排列,提高p-n结的质量,并增强异质结界面处的载流子分离和传输效率。因此,经过NaDDTC处理的CZTSSe太阳能电池展现了13.77%的器件效率和良好的重复性。

河南大学硕士研究生曹蕾、博士研究生王丽晶为论文共同第一作者;河南大学周正基教授、武四新教授,陕西师范大学田庆文副教授、刘生忠教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和河南省科技厅等项目的资助。


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