[發明專利]具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池及其制備方法

在審

• 申請號: 202111284564.9
• 申請日: 2021-11-01
• 公開（公告）號: CN114005903A
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 段碧雯;孟慶波;李冬梅;石將建;羅艷紅;吳會覺
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L31/072
• 分類號: H01L31/072;H01L31/0445;H01L31/032;H01L31/18
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 關艷芬

本發明提供了一種具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池及其制備方法。該銅鋅錫硫硒太陽能電池包括從下至上順序堆疊的背電極、CZTS_xSe_1?x(0≤x≤1)吸收層、緩沖層、窗口層和頂柵電極；還包括從下至上順序設置在背電極和CZTS_xSe_1?x吸收層之間的高功函數層和隔離層，高功函數層配置為誘導CZTS_xSe_1?x吸收層的能帶向上彎曲以形成背界面電場，隔離層配置為抑制高功函數層的材料在高溫下與其他物質發生化學反應。在制備方法中，通過原位制備高功函數層和隔離層。本發明可實現光生載流子在背界面的有效分離，抑制背界面載流子非輻射復合，提高銅鋅錫硫硒太陽能電池的開路電壓。

技術領域

本發明涉及薄膜太陽能電池技術領域，特別是一種具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池及其制備方法。

背景技術

進入二十一世紀以來，能源需求呈指數上升，傳統化石能源不可再生且造成愈來愈嚴重的環境污染，因此開發利用太陽能成為解決目前能源問題的重要方向。將太陽能轉換為電能的太陽能電池是太陽能利用的重要方式。在眾多太陽能電池中，薄膜太陽能電池能滿足多場景應用需求，如光伏建筑一體化、柔性可穿戴設備等。銅鋅錫硫硒(CZTS_xSe_1-x，0≤x≤1)材料因具有吸光能力強、組成元素無毒且儲量豐富、帶隙匹配等優勢，成為極具發展潛力的薄膜光伏吸收層材料。經過近二十年的發展，CZTSSe太陽能電池的最高認證效率(Power Conversion Efficiency，簡稱PCE)已經達到13.0％。

但是，銅鋅錫硫硒太陽能電池的效率仍未達到工業化光伏器件的水平(PCE＞20％)，特別是其開路電壓(Open-Circuit Voltage，簡稱VOC)不及Shockley-Quiesser理論極限的60％，說明在材料體相和器件界面存在嚴重的載流子復合。在電池的Mo/CZTS_xSe_1-x背界面存在兩個誘發載流子復合的因素，一個是在高溫硒(硫)化過程中反應生成的雜相Cu₂S(e)、ZnS(e)和SnS(e)，另一個是Mo電極的功函數(～4.8eV)低于CZTSSe的功函數(～5.1eV)，使得在背界面形成肖特基結，雖然其空穴勢壘很小，對空穴輸運的阻擋可忽略不計，但該界面不具有分離載流子的功能，容易使得在吸收層深處產生的光生載流子都在此處聚集而發生復合。因此，如何實現光生載流子在背界面的有效分離以減少背界面載流子復合，從而提高CZTS_xSe_1-x器件的開路電壓是本領域亟待解決的問題。

發明內容

鑒于上述問題，提出了一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池及其制備方法。

本發明的一個目的在于提供一種具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池，可實現光生載流子在背界面的有效分離，抑制背界面載流子非輻射復合，提高CZTSSe太陽能電池的開路電壓。

本發明的又一個目的在于提供一種具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池的制備方法，通過原位制備引入高功函數層和隔離層，在獲得高性能銅鋅錫硫硒太陽能電池的同時，提高良品率并降低操作難度。

特別地，根據本發明的一方面，提供了一種具有背界面電場的銅鋅錫硫硒太陽能電池，包括從下至上順序堆疊的背電極、CZTS_xSe_1-x(0≤x≤1)吸收層、緩沖層、窗口層和頂柵電極；其特征在于

所述太陽能電池還包括從下至上順序設置在所述背電極和所述CZTS_xSe_1-x吸收層之間的高功函數層和隔離層，所述高功函數層配置為誘導所述CZTS_xSe_1-x吸收層的能帶向上彎曲以形成背界面電場，所述隔離層配置為抑制所述高函數層的材料在高溫下與其他物質發生化學反應。