应激光电薄膜太阳能电池的变化

一组研究人员最近在《华尔街日报》发表了一篇论文npj柔性电子元件调查的光电性质的变化灵活kesterite薄膜太阳能电池(SCs)在机械应力。

研究:灵活kesterite压力下的薄膜太阳能电池。图片来源:KRAUCHANKA HENADZ

背景

轻量级的,灵活的薄膜SCs已经倍受关注,作为可折叠电源可弯曲、可伸缩的电子设备。钙钛矿、黄铜矿和晶体硅(同单晶硅的灵活SCs是弯曲的典型例子宽容高效光伏(pv)的设备。

然而,kesterite地球上丰富的材亚博网站下载料,包括铜₂ZnSn(年代,Se)₄(CZTSSe)、铜₂ZnSnSe₄(CZTSe)和铜₂ZnSnS₄(CZTS),被认为是一个更合适的替代钙钛矿和同单晶硅由于其低成本和无毒性。

Kesterite材亚博网站下载料具有高吸收系数的10⁴厘米⁻¹和带隙可调从1.0 - -1.5 eV通过调整/硒硫(S / Se)的比例。Kesterite CZTSSe薄膜SCs取得了12.6%的能量转换效率(PCE)当使用两步无真空hydrazine-based装配式制造过程和12.62% PCE当制造使用溅射过程。

PCE 12.5%是意识到当CZTSe通过金属前体溅射薄膜SCs是捏造的。然而,kesterite材料拥有狭窄的亚博网站下载相位稳定性,导致缺陷的形成和中学阶段,影响光伏性能/四氯乙烯。

电子能带结构与机械应力的变化。a、b Tauc情节获得漫反射光谱(DRS)。c,d价带边缘和CZTSSe功函数(c)没有(d)和钠元素在平面,凹、凸弯曲。e,fCZTSSe乐队示意图(e)没有(f)和钠元素在平面,凹、凸弯曲状态。E_{真空吸尘器}E_FE_C和E_V是真空,费米、传导、价水平,分别。图片来源:公园,H。K et al ., npj灵活的电子产品

几项研究已经证明使用碱掺质抑制的可行性内在缺陷的形成。此外,人为掺杂碱金属元素在柔性衬底上可以有效改善SC效率。

具体地说,使用钠作为掺杂剂和掺杂条件的优化可显著提高柔性薄膜CZTSSe SCs的效率。例如,灵活CZTSSe SCs用额外的氟化钠(氟化钠)掺杂层显示11.19%的PCE。

了解薄膜的光电特性的变化CZTSSe SCs引起的机械应力在不同弯曲条件下是至关重要的长期和大规模应用的灵活CZTSSe设备非表面。

这项研究

在这项研究中,研究人员调查了钠离子掺杂对承运人运输的影响机制和灵活的电子能带结构CZTSSe pv机械应力在凹凸弯条件下。灵活CZTSSe pv锡/铜/锌(Sn /铜/锌)堆垛顺序被捏造的钼(Mo)涂布Mo-foil衬底没有和一个额外的氟化钠层。

0.1毫米厚的CZTSSe薄膜SC由Mo-foil衬底,通过溅射CZTSSe吸收体捏造,50纳米硫化镉(cd)缓冲层沉积使用化学浴沉积、内在50纳米氧化锌(氧化锌)层使用射频(RF)溅射沉积,300 nm铝(Al)再版氧化锌(偶氮)层/透明导电氧化物通过溅射沉积,和500 nm Al收集网格使用热蒸发沉积。

在五捏造前体结构,四个结构包含一个额外的氟化钠层在不同metallic-precursor堆栈的位置。这些结构包括氟化钠/ Sn /铜/锌/ Mo /钼箔,Sn /氟化钠/铜/锌/ Mo /钼箔,Sn /铜/氟化钠/锌/ Mo /钼箔,Sn /铜/锌/氟化钠/ Mo /钼箔和Sn /铜/锌/ Mo / Mo-foil,指定为CZTSSe5, CZTSSe4, CZTSSe3, CZTSSe2和CZTSSe1分别。

接触电势差分布在不同的弯曲模式。图代表KPFM平面和弯曲模式的设置。bl表面形貌(b、d、e, g, k)和接触电位差(VCPD)地图(c、e、f、h, j, l) Na-undoped和掺杂CZTSSe吸收剂材料的平面状态和凹凸弯曲模式弯曲半径为20.47毫米。(比例尺:1μm) m, n的分布VCPD区别intra-grain (IG)地区和晶界(GBs) Na-undoped (m)和掺杂(n) CZTSSe吸收体材料平面状态和凹凸弯曲状态。CZTSSe吸收剂的掺杂Na显示承运人在GBs分离比没有Na CZTSSe吸收器。图片来源:公园,H。K et al ., npj灵活的电子产品

莫背接触层涂布在Mo-foil衬底,而锌、锡、铜的纯度是99.99%用于metal-precursor溅射。一个soi硅氟化钠层是沉积制造中采用热蒸发法四前体与氟化钠层结构。金属前体是sulfo-selenized使用Se丸作为Se源和稀释硫化氢气体与90 -卷%氩年代源在快速热过程(RTP)室。

紫外线可见近红外(NIR)光谱,紫外光电子能谱(UPS), photo-assisted开尔文探针力显微镜(KPFM)和调幅(AM)模式KPFM测量进行了合成样品的特点。均匀应变被应用于制作样品安装在弯曲模具在UPS和UV-visible-NIR测量。

机械应力应用于装配式灵活CZTSSe薄膜SCs弯曲样品,然后当地的电特性进行了分析评估载体的变化行为和弯曲材料表面电荷屏障。当地的开路电压(V_OC)在弯曲模式也调查了使用承运人激励机制。

此外,研究人员评估了光伏参数退化由于凹/凸弯曲。在弯曲试验,光伏设备参数值获得1000年之后,800年,600年、400年和200年在50 mm弯曲半径弯曲周期。凸、凹弯曲被应用于制造SCs 1.0毫米⁻¹速度。

这项研究的意义

灵活、高效CZTSSe pv有或没有氟化钠层成功伪造。CZTSSe电子结构变形压力下由于功函数的变化,价带边缘,和带隙。

CZTSSe吸收器层的电子势垒高度降低机械应力下,和承运人在晶界分离弱化,导致重组载体。Less-degraded航空运输在sodium-doped CZTSSe设备相比无掺杂CZTSSe设备。

光伏设备由机械弯曲试验参数的变化。a、b的变化率光伏设备参数与凹(a)和凸(b)弯曲的弯曲半径50毫米和1000弯曲周期。光伏设备参数测量了200年之后,400年,600年、800年和1000年弯曲周期。(a, b)中的插图显示一个图像的弯曲设备。c, d系列和分流电阻的变化速度与凹(c)和凸(d)弯曲弯曲状态。误差的标准差(模拟)被定义为光伏参数获得4分两个设备。图片来源:公园,H。K et al ., npj灵活的电子产品

此外,CZTSSe带隙增加和减少凸、凹弯曲状态,分别。向上/向下移位费米能级的机械弯曲状态影响乐队对齐。

当地的V_OC弯曲CZTSSe表面减少由于有限的载体激发。减少当地的V_OC在凸弯曲高于凹弯曲,表明更大的电荷载体重组下凸弯曲状态。当地的损失V_OC在机械应力显著减少设备符合Voc在凹凸弯测试。

总而言之,这项研究的结果表明,承运人运输退化柔性薄膜CZTSSe SCs是高凸弯曲状态比凹状态。此外,该方法获得的信息在这个研究可以帮助理解应激光电变化在其他灵活的pv,如钙钛矿和硅SCs。

源

公园,香港曹,Y。金,J。等。灵活kesterite压力下的薄膜太阳能电池。npj柔性电子元件2022年。https://www.nature.com/yabo214articles/s41528 - 022 - 00221 - 4

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