Si襯底Cu2ZnSnS4太陽能電池的數值分析*

劉輝城 許佳雄 林俊輝

(廣東工業大學材料與能源學院, 廣州 510006)

在Si襯底上制備的Cu2ZnSnS4(CZTS)太陽能電池具有CZTS與Si襯底的晶格失配低的優點, 但目前其轉換效率仍較低.本文采用異質結太陽能電池仿真軟件Afors-het對Si襯底CZTS太陽能電池進行數值計算.對現有的p-CZTS/n-Si太陽能電池的計算結果表明, 在該電池結構中p-CZTS和n-Si分別起窗口層和吸收層的作用, 但p-CZTS具有高光吸收系數, 使大部分入射光無法透過p-CZTS層進而被n-Si吸收, 限制了電池的轉換效率.本文提出以p-Si作為襯底的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太陽能電池結構.計算得到的p-CZTS/p-Si結構的暗態電流密度-電壓(J–V)特性曲線均為線性曲線, 表明p-CZTS與p-Si為歐姆接觸以及p-Si作為p-CZTS的背電極的可行性.進一步計算了p-Si的厚度與摻雜濃度、p-CZTS的厚度與摻雜濃度對n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太陽能電池光伏特性的影響, 在不考慮寄生串并聯電阻效應和缺陷態的理想情況下, 電池的最高轉換效率為28.41%.本文計算結果表明, n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太陽能電池可解決現有p-CZTS/n-Si結構存在的問題, 是一種合適的Si襯底CZTS太陽能電池結構.

1 引 言

近年來, 許多研究者專注于尋找適合制備太陽能電池的光伏材料.在眾多的光伏材料中, 銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4, CZTS)引起了學術界的極大興趣[1,2].CZTS薄膜具有與太陽光譜匹配的禁帶寬度(1.4—1.5 eV)以及較高的光吸收系數(> 1 ×104cm–1), 且其組成元素的來源非常豐富、價格低廉[3,4].根據報道, CZTS太陽能電池常用鍍Mo鈉鈣玻璃作為襯底[5?7].金屬Mo作為背電極具有化學性質穩定、耐高溫、電導率高等優點.CZTS和Mo的晶格常數a分別為0.5427和0.3150 nm, CZTS和Mo之間的晶格失配產生界面態, 影響……