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物理化学学报  2016, Vol. 32 Issue (6): 1330-1346    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201603073
综述     
Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳电池研究进展
张雪1,韩洋1,柴双志1,胡南滔1,杨志1,*(),耿会娟2,*(),魏浩1,*()
1 上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240
2 安阳师范学院物理与电气工程学院,河南安阳455000
Advances in Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin Film Solar Cells
Xue ZHANG1,Yang HAN1,Shuang-Zhi CHAI1,Nan-Tao HU1,Zhi YANG1,*(),Hui-Juan GENG2,*(),Hao WEI1,*()
1 School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, P. R. China
2 College of Physics and Electronic Engineering, Anyang Normal University, Anyang 455000, Henan Province, P. R. China
 全文: PDF(15424 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

CdTe和Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe)光吸收材料在新型化合物半导体太阳电池研究中占据着主导地位。尽管CdTe和CIGS太阳电池拥有较高的转换效率和先进的技术,但是仍存在着一些问题,如所用材料中的元素地壳丰度低或有毒,这阻碍了其未来的大规模应用。近年来,由于Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe)薄膜太阳电池使用的元素地壳含量丰富且环境友好,逐渐成为了研究的热点。CZTSSe光吸收材料被认为能够取代CdTe和CIGS成为下一代光伏技术的潜力材料。基于此,本文将简单介绍CZTSSe材料的结构、性质和制备方法。重点阐述CZTSSe材料的组装技术和沉积方法的发展和优势,如基于真空的沉积方法和基于溶液的沉积方法,简述其优缺点。此外,本文对CZTSSe组装和CZTSSe纳米晶制备方法的最新研究进展也进行了总结。最后,对CZTSSe光伏技术的一些限制因素进行了分析,并对CZTSSe薄膜电池未来的研究前景进行了展望。

关键词: Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳电池制备方法研究进展    
Abstract:

CdTe and Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) light absorber materials have dominated the research field of compound semiconductor solar cells. Despite the high power conversion efficiencies and technological advances of CdTe and CIGS photovoltaic technologies, certain issues, like rare earth constituent elements or toxic elements, limit their future upscaled applications. In recent years, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) thin film solar cells have become research hotspots, drawing increased interest. With earth-abundant and environmentallybenign constituent elements, CZTSSe light absorber materials are widely regarded as the next-generation photovoltaic technology that can replace CdTe and CIGS as a promising candidate for terawatt-level power output. In this review, the synthesis, structure, and properties of CZTSSe materials will be discussed. This review will primarily demonstrate the developments and recent advances of different fabrication techniques and deposition methods, such as vacuum-based and solution-based deposition methods, covering their advantages and disadvantages. Recent developments in CZTSSe fabrication methods and CZTSSe nanocrystal preparation approaches will also be reviewed. Finally, some limitations on CZTSSe photovoltaic technology will be analyzed, and directions for improvement will be suggested, helping scientists to make future developments in this field.

Key words: Cu2ZnSn(S,Se)4    Thin film    Solar cell    Preparation method    Research progress
收稿日期: 2016-01-18 出版日期: 2016-03-07
中图分类号:  O646  
基金资助: 国家自然科学基金(61376003)
通讯作者: 杨志,耿会娟,魏浩     E-mail: zhiyang@sjtu.edu.cn;ghjhou@126.com;haowei@sjtu.edu.cn
作者简介: 张雪,2015年扬州大学信息工程学院自动化系本科毕业,现为上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生。主要研究方向为能量转化和存储。|韩洋,2015年上海交通大学电气工程与自动化系本科毕业,现为上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生。主要研究方向为能量转化和存储。|柴双志,现为上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生。研究方向:多孔材料在超级电容器/锂硫电池等储能器件方面的应用。|胡南滔,2009年吉林大学化学学院高分子化学与物理专业博士毕业,新加坡南洋理工大学访问学者,现任职上海交通大学助理研究员。研究方向:(1)碳纳米材料的功能化及储能、传感器件;(2)复合材料的制备、性能研究及应用。|杨志,上海交通大学电子信息与电气工程学院特别研究员,博士生导师。研究方向:(1)纳米气体传感器件;(2)纳米太阳电池;(3)纳米材料的合成、构建、自组装和应用。|耿会娟,2015年毕业于上海交通大学,师从张亚非教授,获得微电子学与固体电子学工学博士学位,现任职于安阳师范学院物理与电气工程学院,讲师。研究方向为晶体硅太阳电池表面钝化,新型太阳电池的制备。|魏浩,上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授,硕士生导师。主要研究方向为能量转化和存储。
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张雪
韩洋
柴双志
胡南滔
杨志
耿会娟
魏浩

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张雪,韩洋,柴双志,胡南滔,杨志,耿会娟,魏浩. Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2016, 32(6): 1330-1346.

Xue ZHANG,Yang HAN,Shuang-Zhi CHAI,Nan-Tao HU,Zhi YANG,Hui-Juan GENG,Hao WEI. Advances in Cu2ZnSn(S,Se)4 Thin Film Solar Cells. Acta Physico-Chimica Sinca, 2016, 32(6): 1330-1346.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201603073        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I6/1330

图1  CZTS的不同晶体结构图18
Preparation method Thin film Transfer efficiency/% Voc/mV Jsc/(mA?cm-2) Reference
spray pyrolysis pyrolysis CZTSe 5.14 370.4 27.29 37
sputtering CZTSSe 8.06 410 36.1 38
evaporation CZTSe 8.4 661 19.5 39
pulsed laser deposition CZTS 4.13 700 10.01 40
electro-chemical deposition CZTSe 8.0 390 35.3 41
sol-gel deposition technique CZTS 5.1 610 14.82 42
solution-processed approaches CZTSSe 11.1 459.8 34.5 16
screen printing CZTS 0.49 386 4.76 43
表1  不同制备方法获得的CZTSe/CZTS/CZTSSe薄膜太阳电池性能比较
图2  蒸镀法所制备的薄膜太阳电池的结构和性能39
图3  所组装的CZTSSe太阳电池在不同放大倍数下FE-SEM横截面图71
图4  电化学沉积法所制薄膜电池的结构和性能示意图85
图5  不同温度下硫化前后薄膜的表面形貌和横截SEM图86
图6  不同化学组成的溶胶-凝胶溶液制备的薄膜的表面形貌SEM图88
图7  溶胶-凝胶法热分解和反应制备CZTS薄膜的过程示意图42
图8  溶液法制备CZTSSe薄膜的SEM图以及组装太阳电池在AM1.5光照下的J-V曲线92
图9  溶液法所制薄膜太阳电池结构和性能示意图15
图10  丝网印刷法制备薄膜太阳电池的结构和性能示意图43
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