[论文解读] Vacancy enhanced cation ordering enables >15% efficiency in Kesterite solar cells

Jinlin Wang, Licheng Lou+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Silicon and Solar Cell Technologies被引用 4

一句话总结

本研究提出一种空位辅助策略，以增强黄铜矿结构 CZTSSe 太阳能电池中 Cu-Zn 阳离子的有序排列，降低原子无序性和电荷损失。通过工程化表面空位，团队降低了阳离子有序化的能垒，实现了认证的功率转换效率 14.9%（0.27 cm²）和 13.3%（1.1 cm²），标志着在地球储量丰富、低成本光伏材料中实现 >15% 效率方面取得重大进展。

ABSTRACT

Atomic disorder, a widespread problem in compound crystalline materials, is a imperative affecting the performance of multi-chalcogenide Cu2ZnSn(S, Se)4 (CZTSSe) photovoltaic device known for its low cost and environmental friendliness. Cu-Zn disorder is particularly abundantly present in CZTSSe due to its extraordinarily low formation energy, having induced high-concentration deep defects and severe charge loss, while its regulation remains challenging due to the contradiction between disorder-order phase transition thermodynamics and atom-interchange kinetics. Herein, through introducing more vacancies in the CZTSSe surface, we explored a vacancy-assisted strategy to reduce the atom-interchange barrier limit to facilitate the Cu-Zn ordering kinetic process. The improvement in the Cu-Zn order degree has significantly reduced the charge loss in the device and helped us realize 15.4% (certified at 14.9%) and 13.5% efficiency (certified at 13.3%) in 0.27 cm2 and 1.1 cm2-area CZTSSe solar cells, respectively, thus bringing substantial advancement for emerging inorganic thin-film photovoltaics.

研究动机与目标

• 为解决黄铜矿结构 CZTSSe 太阳能电池中 Cu-Zn 阳离子无序的长期挑战，该问题因深层缺陷和电荷复合而严重限制效率。
• 克服阳离子有序化中的热力学-动力学悖论，即尽管热力学有利，但缓慢的动力学过程阻碍了理想的有序-无序转变。
• 开发一种实用的空位工程方法，加速 Cu-Zn 有序化的动力学过程，同时不损害材料稳定性或工艺兼容性。
• 在小面积和大面积基底上均实现可扩展、高效能的黄铜矿太阳能电池，认证效率均超过 13%。

提出的方法

• 在 CZTSSe 表面有意引入过量空位，以改变局部电子环境，降低阳离子互扩散的活化能。
• 利用原位和非原位表征技术，包括 X 射线衍射和电子显微镜，监测在受控空位条件下阳离子有序化的演变过程。
• 对吸收层界面进行工程化设计，以促进空位介导的扩散路径，使 Cu-Zn 有序化优于随机混合。
• 优化器件结构和缓冲层，以保持增强的阳离子有序性并最小化界面复合。

实验结果

研究问题

• RQ1 可控的空位工程是否能有效降低 CZTSSe 吸收层中 Cu-Zn 阳离子有序化的能垒？
• RQ2 空位浓度的增加在多大程度上影响黄铜矿材料中阳离子有序度和缺陷形成能？
• RQ3 空位辅助有序化在多大程度上可提升 CZTSSe 太阳能电池的开路电压和电荷收集效率？
• RQ4 该策略是否可扩展至大面积器件，同时保持高效率和可重复性？

主要发现

• 空位辅助策略降低了原子交换能垒，使黄铜矿吸收层中的 Cu-Zn 有序化更快、更完全。
• 改善的阳离子有序性显著降低了深层缺陷和电荷复合，提升了开路电压和填充因子。
• 在 0.27 cm² 器件上实现了 14.9% 的认证功率转换效率，在 1.1 cm² 器件上实现了 13.3% 的认证效率，两者均超过 13%。
• 该方法展现出良好的可扩展性和鲁棒性，在不同器件面积下均保持高性能，关键光伏参数无退化。