通过硒化处理提高掺锗CZTSSe太阳能电池的性能 吕晓工 张淑敏 杨彦春 崔国楠 范文亮 岳星

《Materials》：Tuning the Performance of Ge-Doped CZTSSe Solar Cells via Selenization Xiaogong Lv, Shumin Zhang, Yanchun Yang, Guonan Cui, Wenliang Fan and Xing Yue

　　

摘要

Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) 是一种潜在的薄膜光伏材料；然而，其性能受到内在缺陷引起的非辐射复合机制的限制。低浓度掺杂Ge已被证明是一种有效缓解这些缺陷的方法，但硒化温度仍然是控制CZTSSe吸收剂结构和光电特性的关键工艺参数。在本次研究中，通过基于绿色n-丁基铵丁酸盐的溶液方法合成了低浓度Ge掺杂的Cu₂ZnSn_0.95Ge_0.05S₄ (CZTGS) 前驱体薄膜。系统地研究了硒化温度（530–570 °C）对Cu₂ZnSn_0.95Ge_0.05(S,Se)₄ (CZTGSSe) 薄膜及其光伏性能的影响。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线谱仪（EDS）以及原子力显微镜（AFM）对合成样品进行了全面表征，结果表明硒化温度显著改变了薄膜的晶粒生长、结晶度、元素分布和表面粗糙度。具体而言，在550 °C下硒化的薄膜具有最佳的结晶度，表现为大周期的均匀晶粒、高效的Ge⁴⁺掺入到硫属矿晶格中以及最低的表面粗糙度。这些在结构和成分上的优异性能使得载流子传输电阻（R_s = 8.6 Ω?cm²）降低、复合阻抗（R_j = 5.9 kΩ?cm²）提高、非辐射复合作用受到抑制，并且载流子寿命（τ_EIS = 35.8 μs）延长。因此，制备的CZTGSSe薄膜太阳能电池的功率转换效率（PCE）提高了8.69%，开路电压（V_OC）为0.42 V，填充因子（FF）为55.51%，短路电流密度（J_SC）为37.71 mA·cm^–2