[01066444]铟锡化合物光电薄膜及器件

该项目属于半导体薄膜材料领域，研究对象为铟锡化合物薄膜半导体材料和薄膜太阳电池(如Cu(In，Ga)Se₂(CIGS)、Cu₂(Zn，Sn)S₂(CZTS)等)。该类电池被称为第三代太阳电池，以高吸收系数直接带隙材料和薄膜化为特征，具有转换效率高、稳定性优异、成本低等优势。但该类电池也存在技术门槛高，规模量产技术难度大等问题。因此，有必要针对铟锡半导体薄膜关键材料和薄膜太阳电池器件开展持续有效的研究。该方向的研究不但对中国光伏产业升级有重要影响，对广西铟、锡等特色资源高效利用和有色金属产业的辐射带动也具有重要的意义。 该项目以高效率铟锡化合物薄膜太阳电池的开发为背景，主要开展了光吸收层、电子传输层和空穴传输层材料的可控制备基础研究，并开展了电池器件构建、性能评测及其优化方面的研究工作。主要创新点和发现点如下： 1)在载流子传输层方面：合成了多种高效载流子收集输运材料。采用新颖的双光速激光干涉光刻辅助水热法制备了图案化ZnO纳米棒阵列，并首次将其用于PEC电池光阳极，发现图案化可以有效提高ZnO的光捕获能力和电荷转移效率；采用混合溶剂热法制备了Zn掺杂的SnO₂分级结构，发现Zn掺杂能有效增加电子迁移率；采用两步溶剂热辅助煅烧法制备了新颖的Zn₂SnO₄/C复合材料，发现ZTO/C的协同作用能有效提高电子传输效率，抑制电子-空穴对的复合；首次通过微波水热法制备了Co掺杂的黄铁矿FeS₂，发现Co掺杂能调整FeS₂的带隙，增加可见光吸收效率并提高缺陷浓度，促进光生电子-空穴对的生成。 2)在吸收层材料方面：制备了多种符合电池组装要求的吸收层材料。通过常压溶剂热法制备了CuInS₂纳米片，在国内首先实现涂覆法制备致密性CuInS₂薄膜；率先通过大功率超声辅助微波溶剂热合成了W-CZTS六棱柱，提出了成核-溶解-重结晶生长机理；利用一步法制备W-CZTS纳米晶，明确了其生长机制，发现贫Cu和富Zn的W-CZTS具备更高的光电转换活性。 3)在器件组装方面：采用液相辅助热压法烧结高密度CIGS靶材，通过磁控溅射-热处理制备CIGS薄膜，再通过物理沉积和化学沉积制备各功能层，最后完成AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo单电池组装并获得9.6%的光电转换效率，发现CuSe二元相能在高温下形成液相显著促进靶材烧结。 研究成果已发表论文50余篇，授权中国发明专利13项。其中，8篇代表性论文被引用164次，单篇最高他引81次，产生了较好的国际影响。以此为基础，在2009年建立了中试生产线，2012年30cm*30cm尺寸CIGS薄膜电池模组转换效率超过10%，并获得国家重点新产品证书1个。该项目产业化开发成果对铟锡化合物半导体薄膜及器件的产业化应用研究提供了良好创新示范作用。