摘要
Kesterite结构的Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)由于具有在1.0-1.5eV可调节的光学带隙，高吸收系数，组成元素地球储藏丰富，安全无毒等优点被认为是替代Cu(In,Ga)Se2制备CZTSSe基薄膜太阳能电池的理想半导体材料，近年来受到广泛深入的研究。虽然取得较大的进展，但光电转换效率（PCE）仍远小于其理论值32.8%和Cu(In,Ga)Se2电池的23.35%。而导致PCE低的原因之一就是背电极与吸收层之间接触质量差，界面复合较大。目前，普遍使用的背电极是金属Mo，Mo镀在钠钙玻璃（SLG）衬底上。由于Mo与SLG的热膨胀系数差值较大，所以在后续的高温硒化过程中会产生较大的应力，影响Mo与CZTSSe的紧密接触，甚至薄膜脱落。因此，寻找制备能与SLG和CZTSSe紧密接触，性能稳定的背电极的方法和技术仍然是CZTSSe太阳能电池研究的重要问题之一。金属Cr与SLG的热膨胀系数的差值比Mo的小，与SLG的粘附力比Mo大。为此，本文开展以Mo/Cr复合背电极为制备技术，探究了Mo/Cr电极和硒化温度对CZTSSe太阳能电池PCE的影响规律和机制，取得如下创新性结果： （1）利用磁控溅射技术，采取先在SLG镀Cr然后再镀Mo的方法制备出Mo/Cr复合背电极。研究发现，与Mo背电极相比，Mo/Cr双层背电极的电阻率更小，与SLG的粘附性更强，稳定性更好。在Mo/Cr背电极上生长的CZTSSe薄膜比在Mo电极上生长的薄膜具有更好的晶体质量和与背电极更紧密的接触。与Mo背电极相比，Mo/Cr双层背电极可以提高CZTSSe电池的开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和填充因子(FF)，使CZTSSe太阳能电池的PCE从以Mo作为背电极的8.4%提高到了以Mo/Cr为背电极的9.6%。PCE的增加主要归因于开路电压(Voc)和填充因子(FF)的增加，FF和Voc的增加是由于用Mo/Cr背电极替代Mo背电极所引起的串联电阻和反向饱和电流密度的减少。 （2）通过对沉积在Mo/Cr复合电极上的Cu2ZnSnS4前驱体在530-570℃硒化，制备出CZTSSe薄膜。并以所制备的CZTSSe为吸收层，制备出以Mo/Cr为复合电极的CZTSSe太阳能电池。发现从530℃到550℃，PCE随硒化温度的增加而增加，从550℃到570℃，PCE随硒化温度的增加而减小。在550℃时，PCE达到最高值9.3%。最佳硒化温度为540-550℃。综合电学参数在不同硒化温度下对光伏参数的影响规律，我们定量给出各电学参数对PCE的影响程度和机制。发现从530℃到550℃PCE的增加59.5%来自J0的减少，22.4%来自JL的增加，21.6%来自Rs的减小，其中J0和Rs的减小归因于CZTSSe晶体质量的提高、Mo(S,Se)2较薄并与CZTSSe接触好；JL的增加归因于CZTSSe质量变好，导致光吸收提高。而从550℃到570℃PCE的减小56.6%归因于J0的增加，25.3%归因于Rsh的减小，12.8%归因于Rs的增加，其中J0和Rs的增大可归因于Mo(S,Se)2较厚与CZTSSe接触变差，Rsh的减小可能是由于有二次相产生。
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