一、摘要

已知稀土离子通过抑制其深能级缺陷而对铜锌锡硫硒（Cu₂ZnSn(S,Se)₄）器件的性能产生积极影响。在此基础上，首次将铒离子(Er³⁺)掺杂到吸收体中，对其不利的体缺陷进行了修饰，使其具有优异的电学性能。铒的原子序数相对较大，属于重稀土元素，这种“重”的特性使得铒更倾向于积累薄膜的背面接触而不是表面，从而减少了Cu₂ZnSn(S,Se)₄/Mo界面的空洞，增强了准欧姆接触。这两个正效应可以帮助Cu₂ZnSn₄(S,Se)₄器件的效率从7.3%(R_Er=0%)提高到10.9%(R_Er=0.9%)。我们的研究结果揭示了重稀土离子掺杂对改善Cu₂ZnSn₄(S,Se)₄器件性能的令人满意的协同效果。这也为进一步推动Cu₂ZnSn₄(S,Se)₄薄膜太阳电池的发展提供了一条新途径。

二、研究背景

Cu₂ZnSn(S,Se)₄薄膜太阳电池因其富稀土、制备成本低、环境友好等优点而备受关注。在过去的几年里，取得了巨大的突破。然而，与CdTe和Cu(In,Ga)Se₂的薄膜太阳电池相比，Cu₂ZnSn(S,Se)₄器件的最高效率仍然较低，需要进一步提高。不合理的开路电压(V_OC)缺陷被认为是器件性能的主要限制因素，这既来自于较差的背界面接触，也来自于太多不需要的体缺陷。这些缺陷很可能成为光生载流子的主要复合中心，对器件的性能有负面影响。为了缓解这些缺陷，研究人员开发了多种阳离子掺杂措施，目前取得了显著进展。

三、研究内容

在未掺银的Cu₂ZnSnS₄前驱体溶液中加入Er(NO₃)₃⋅5H₂O，将重稀土铒离子引入到Cu₂ZnSn(S,Se)₄薄膜中。研究重稀土铒离子对Cu₂ZnSn(S,Se)₄薄膜性能及器件性能的影响。

四、图文解析

Figure 1.(a) Therelationship between Er content in films and that in the precursor solution. XPS spectra of samples withR_Er = 0% andR_Er = 0.9%. (b) Er. (c) Na. (d) Sn. (e) Zn. (f) Se.

Figure 2.The SEM images and grain size distribution bar chartofthe different Er-doped CZTSSe films. (a) - (e)Cross-sectional images, (a-1) - (e-1) top-view images, and (a-2) - (e-2) grain size distributions.

Figure3. (a)XRD patterns, (b)the enlarged (112) diffraction peaks, (c) Raman spectra, (d) the normalized Raman spectra, the amplificationregions at 172 cm^-1 (e)and 234 cm^-1 (f)ofthe different Er-doped CZTSSe films.

Figure 4.Surface topography, potential maps,GI and GB potential (the region indicated by the black arrow), andmean CPDvalueoffilms without and with Er-doping.(a-d)without.(e-h)with 0.9%of Er-doping.

Figure 5.The element depth profiles offilms without and with Er-doping,(a)R_Er = 0% and (b)R_Er = 0.9%. (c) Schematic diagrams of the grain growth process without and with Er-doping.

Figure 6.(a) OptimalJ-V curves, (b)EQE spectra and integratedJ_sc, (c) calculatedE_U, and (d)EIS Nyquist plots of the different Er-doped CZTSSe devices. (e) τ_TPV and (f) C-V/DLCP of samples withR_Er = 0% andR_Er = 0.9%.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162890