武四新教授课题组：液相法制备高效Cu(In,Ga)Se2太阳能电池的研究进展

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近日，武四新教授课题组在液相法制备高效Cu(In,Ga)Se2（CIGS）领域取得新进展，相关成果以“Controllable Formation of Ordered Vacancy Compound for High Efficiency Solution Processed Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells”为题，以全文形式在Advanced Functional Materials上发表（Adv. Funct. Mater. 2020, 2007928）。目前该杂志影响因子为16.836，JCR分区一区。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007928。

图1. OVC相制备过程示意图

图2. CIGS器件的能带结构示意图

        目前器件效率大于20%的CIGS电池通常是通过真空方法制备的。为了降低设备成本、提高原料利用率，从而进一步提升CIGS电池在光伏市场的竞争力，需要发展新的低成本薄膜制备方法。液相法制备薄膜具有成本低、原料利用率高、可以实现卷对卷制备等优点。近年来基于液相法制备的CIGS电池也取得了快速发展，并获得了17.3%的转换效率，与真空法相比仍有一定的差距。研究表明在高效CIGS电池的吸收层表面通常存在一层贫铜组分的有序缺陷化合物（2VCu+InCu，OVC）。OVC相可以极大提高CIGS/CdS异质结质量，从而提升CIGS器件效率。在液相法制备薄膜中，由于无法实现元素在制备过程中的实时调控，难以实现CIGS表面OVC的可控形成，并且目前很少有关于液相法调控OVC相的研究。
       在本研究中，通过分析OVC相的形成机理，我们设计了一种在吸收层表面沉积贫铜CIGS化合物的方式，利用在硒化成膜过程中Cu元素的扩散，实现CIGS表面OVC的制备。通过控制硒化温度和有意改变顶层和体相前驱体溶液中的Cu/(In+Ga)化学计量，可以实现Cu(In,Ga)Se2表面OVC相的可控制备（图1）。通过测试分析我们发现表面OVC相提升CIGS电池效率的原因主要来源于以下几点：（1）OVC降低CIGS表面的价带能级位置，形成空穴往缓冲层传输的势垒，抑制载流子在CIGS/CdS的复合。（2）OVC相的形成可以有效降低界面的缺陷浓度。（3）OVC相可以促进载流子的分离和搜集。通过优化OVC相含量，我们制备出了效率达到16.39%的CIGS太阳能电池，是目前非肼溶液法CIGS太阳能电池的最高效率。本研究工作对进一步提升液相法CIGS太阳能电池的效率提供了新的研究思路和技术手段。
       特种功能材料重点实验室硕士研究生赵云海为论文第一作者，武四新教授和袁胜杰博士为论文通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委、河南省科技厅、河南省教育厅和河南大学的大力支持。
        文章来源：河南大学
      武四新，男，1969年3月生，博士，河南大学特聘教授。1992年本科毕业于河南大学化学系，1995年6月，获中科院长春应用化学研究所硕士学位；1999年3月获中科院上海光学精密机械研究所博士学位；2000起先后到日本东北大学、日本筑波无机材料研究所、美国Texas大学Arlington分校从事博士后研究工作。主要从事纳米材料制备及性能等方面的研究。在利用高压致囊胞瞬间穿孔方法制备半导体纳米粒子方面开展了系统工作。在J. Phys. Chem., Langmuir, Chem. Phys. Lett.等学术期刊上发表论文13篇。