CeO-CuInS2纳米复合材料作为高性能薄膜太阳能电池的高效吸收层：结构、光学和光伏特性研究

《Scientific Reports》：CeO-CuInS2 nanocomposite as an efficient absorber layer for high-performance thin film solar cells: structural, optical, and photovoltaic investigation

　　

摘要

CuInS₂吸收层的光伏效率相对较低，这主要是由于载流子复合严重以及界面电荷传输效率低下所致，这些问题长期以来一直困扰着薄膜太阳能电池的发展。在本研究中，采用水热法制备了一种CeO–CuInS₂异质结构吸收层，以改善电荷分离和载流子传输性能。X射线衍射实验证实了四方晶系的CuInS₂与立方晶系的CeO共存，且具有极高的结晶度，平均晶粒尺寸为34.8纳米。拉曼光谱通过典型的A₁和F₂g振动模式验证了结构的完整性；扫描电子显微镜（SEM）观察显示该材料具有类似花椰菜的多孔形态，这种结构有利于光能的吸收。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）分析显示晶格条纹清晰，层间间距为3.217埃，表明材料具有出色的结晶质量。光学测试表明材料的吸收边向红侧移动，带隙从2.22电子伏特降低到2.09电子伏特，从而增强了可见光的吸收能力。光致发光实验发现，由于界面电荷分离效果显著，电子-空穴复合现象得到抑制。最终制造的FTO/TiO₂/CeO–CuInS₂/Spiro-OMeTAD/Au器件实现了0.733伏特的开路电压（V_oc）、13.82毫安/平方厘米（J_sc）、0.62的短路电流分数（FF）以及6.29%的光电转换效率（PCE），其性能明显优于纯CuInS₂器件。电导谱（EIS）和电化学量子效率（EQE）分析进一步证实了该材料具有较低的电荷传输阻力、减弱的复合现象以及提升的载流子收集效率。这些研究结果证明了掺杂CeO是一种有效的方法，能够显著改善基于CuInS₂的吸收层性能，从而提高薄膜太阳能电池的整体性能。