de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Shandong Police College in China hat ein neuartiges weichchemisches Verfahren entwickelt, um die Effizienz von Kupfer-Zink-Zinn-Selenid (CZTSe)-Solarzellen zu steigern.
Das Forschungsteam gibt an, dass der Mechanismus der Alkalimetallbehandlung von CZTSe-Solarzellen noch eingehend untersucht werden muss. Die Behandlung mit Natrium oder Kalium kann die Leistung von Dünnschichtsolarzellen deutlich verbessern, indem sie die Absorberschichtoberfläche passiviert, Korngrenzendefekte reduziert, die Kristallqualität optimiert und die Ladungsträgerkonzentration erhöht, was einen wichtigen Einfluss auf die Zellbauelemente hat.
Bei dieser Methode wird die Absorberschicht mit einer Kaliumfluorid (KF)-Lösung behandelt. Das Forschungsteam stellte CZTSe-Zellen auf Natron-Kalk-Glas (SLG)-Substraten mit einer Molybdän (Mo)-Rückkontaktschicht her, indem es Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Zinn (Sn) als Vorläuferschichten mittels Magnetronsputtern abschied und auf eine kupferarme, zinkreiche Zusammensetzung einstellte. Anschließend wurden die Vorläufer 20 Minuten lang in KF-Lösungen mit Konzentrationen von 0, 3, 6 oder 9 mmol/L getaucht und bei 80 °C 20 Minuten lang getrocknet.
Die Proben wurden anschließend bei 550 °C in einer Selenatmosphäre selenisiert, um die CZTSe-Absorberschicht zu bilden. Die Zellherstellung wurde durch Abscheiden einer 50 nm dicken Cadmiumsulfid (CdS)-Pufferschicht sowie einer intrinsischen Zinkoxid (i-ZnO)-Schicht, einer aluminiumdotierten Zinkoxid (AZO)-Schicht und einer Nickel/Aluminium (Ni/Al)-Vorderkontaktelektrode abgeschlossen. Der endgültige Zellaufbau ist SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO/Ni:Al.
Nach der Herstellung charakterisierte das Team die Bauelemente mittels Rasterelektronenmikroskopie, Stromdichte-Spannungs (J-V)-Messungen, Messungen der externen Quanteneffizienz (EQE) und Kapazitäts-Spannungs (C-V)-Messungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die CZTSe-Leistung verbessert wurde, wenn die KF-Konzentration auf den optimalen Wert von 6 mmol/L erhöht wurde, eine weitere Erhöhung auf 9 mmol/L jedoch zu einer Leistungsminderung führte.
Das mit 6 mmol/L KF behandelte Bauelement erreichte einen Wirkungsgrad von 8,04 %, eine Leerlaufspannung von 0,392 V, eine Kurzschlussstromdichte von 34,3 mA/cm² und einen Füllfaktor von 59,7 %. Im Vergleich dazu lagen die Werte der unbehandelten Referenzzelle bei 6,59 %, 0,332 V, 33,7 mA/cm² bzw. 58,8 %.
Um die zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen, nutzte das Team die wxAMPS-Simulationssoftware, um die Auswirkungen von Grenzflächendefekten und Ladungsträgerdichte auf die Bauelementleistung zu untersuchen. Durch Variation der Parameter wurde festgestellt, dass die Reduzierung von Grenzflächendefekten den Wirkungsgrad und die Leerlaufspannung durch Unterdrückung der Ladungsträgerrekombination signifikant verbessern kann, während eine Erhöhung der Ladungsträgerdichte die Leistung mindert.
Das Forschungsteam fasste zusammen, dass Kalium das Wachstum von CZTSe-Körnern während der Hochtemperatur-Selenisierung fördert und die Bildung von Hohlräumen während des Dünnschichtwachstums reduziert. Die weiche KF-Behandlung liefert zudem eine überschüssige Kaliumquelle, die die Oberflächenzersetzung wirksam unterdrückt, insbesondere den Zinnverlust durch Verringerung der Desorption von SnSe(g) reduziert und so die CdS/CZTSe-Grenzfläche verbessert.
Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Potassium processing interface engineering for carrier regulation of efficient CZTSe solar cells“ in der Fachzeitschrift „Materials Today Communications“ veröffentlicht.
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