客户成就∣利用Cryo-FIB实现铜锌锡硫薄膜太阳能电池的异质结界面缺陷研究

Release time: 2023-08-17

背景介绍

锌黄锡矿（Kesterite）结构的铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4, CZTSSe)具备与CIGS相似的晶体结构和光电学特性，是新型绿色低成本无机薄膜太阳能电池的代表性材料，具有巨大的开发潜力。

遗憾的是，ACZTSSe太阳能电池的转换效率增长缓慢，其性能严重受制于缺陷导致的异质结界面复合。目前，对这种异质结界面缺陷的形成机制尚不清楚，为进一步研究异质结界面附近的微观结构和元素分布，科研人员曾多次尝试在常规条件下制备标件（Ref）TEM样品，但由于其结晶性差、缺陷多，均未能成功。

▲ACZTSSe电池制备过程及低温异质结热处理对电池光伏性能的影响。a，ACZTSSe太阳能电池制造工艺的示意图。b，器件的横截面 SEM 图像。器件结构自下而上为钠钙玻璃（SLG）/Mo/MoSe2/ACZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO。c，标件（Ref）和经过异质结热处理（JHT）的ACZTSSe太阳能电池的J-V曲线。

近期，借助于蔡司冷冻聚焦离子束显微镜Cryo-Crossbeam(Cryo-FIB)，在低温条件下，南京邮电大学辛颢团队成功的制备出Ref和异质结热处理(JHT)薄片样品，并通过X射线能谱仪(EDS)和高分辨透射电镜（HRTEM）分析了两个样品界面处的纳米级微观形貌、元素分布与电子衍射图像差异，系统研究了ACZTSSe电池异质结界面的构建过程。

▲低温热处理前后ACZTSSe/CdS异质结界面性质分析。a，b，EDS元素分布和 Ref (a) 和 JHT (b)高分辨暗场透射电镜图像。c、d，分别在a和 b中突出显示的区域内测量的 Ref (c) 和 JHT (d) 器件的异质结上的 EDS元素线扫描。e-h，Ref（e，f）和JHT（f，h）器件的ACZTSSe/CdS 异质结的局部HRTEM（e，g）和 FFT（f，h）图像。

该工作不仅大幅提升了ACZTSSe太阳能电池的转换效率，突破了ACZTSSe电池异质结界面复合这一瓶颈，而且首次揭示了ACZTSSe太阳能电池异质结界面的构建过程及缺陷形成的内在机制，以及揭示了铜锌锡硫与铜铟镓硒具有完全不同的异质结界面的化学根源。研究结果为该类电池效率的进一步提高提供了新的思路与策略。

相关研究成果以“Elemental de-mixing-induced epitaxial kesterite/CdS interface enabling 13%-efficiency kesterite solar cells”为题发表在《Nature Energy》期刊上。