雙面對稱的柔性CZTSSe薄膜太陽能電池的研究

　　室內光伏發電是通過吸收利用生活中燈光達到節能環保的目的，促進智能住宅產業的發展。柔性Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 薄膜太陽能電池具有綠色環保、成本低廉、穩定高效的特點，在室內光伏市場具有巨大的發展潛力。由于室內光照較弱且具有多方向性，能量的收集和利用變得尤為困難，傳統結構的太陽能電池應用范圍受限。福州大學程樹英教授團隊提出的雙面對稱的柔性CZTSSe薄膜太陽能電池，不僅具有優良的弱光性能和柔性無毒的特點，而且能夠有效收集來自于四面八方的光線，從而實現室內光伏裝飾一體化的設想，為新型室內光伏應用產品的發展提供方案。

　　圖1. （a）雙面CZTSSe的室內光伏應用設計；（b）器件照片和結構示意圖。圖片來源：Nat. Commun.

　　該光伏器件具有雙面對稱結構（Ag / ITO / ZnO / CdS / CZTSSe / MoSe2 / Mo / MoSe2 / CZTSSe / CdS / ZnO / ITO / Ag）。該器件關鍵之處為采用了60微米厚、高導電性的Mo箔作為襯底，完美兼容了傳統CZTSSe體系及工藝，不僅具有足夠強度來支撐兩側的多層薄膜，而且顯示出高的彎曲性能。在制作過程中，創新地采用兩側同步交替沉積的方式，襯底清洗、自旋涂層、退火、硒化和化學水浴沉積等工藝通過一次性的實驗制備得到兩側薄膜，保持了兩面的一致性，還節省了時間和成本。

　　圖2 （a-c）柔性CZTSSe電池正反面器件性能；（d-f）弱光下器件性能。圖片來源：Nat. Commun.

　　通過對性能的優化，該器件在標準太陽光下兩面的效率分別為9.3%和9%，器件兩面的性能基本一致，在柔性CZTSSe薄膜電池領域處于國際領先水平。為了適應室內的應用環境，檢測了器件在弱光下的性能特性，在1.5-18.5 mw/cm2弱LED照明下，器件的效率也達到6-8.8%，短路電流密度保持線性關系。另外，在50°角狀態下彎曲3000次后，器件的兩面同時承受拉伸和擠壓應力，雙面柔性CZTSSe電池可以保持原有效率的95%以上，完全滿足室內柔性裝飾的使用要求。

　　由于Mo箔是良好的導體，雙面CZTSSe太陽能電池共用了同一襯底，易實現兩端的并聯。正反面分別采用1個太陽光和0.3倍太陽光照射，并聯電路的輸出短路電流為8.7 mA，實現前電池（7.0 mA）和后電池（2.1 mA）的電流疊加，損耗<5%。該雙面器件可直接利用全方位光，通過襯底旋轉產生周期性的可變電流，顯著提高了面積利用率。由此可見，該雙面柔性CZTSSe太陽能電池的兩側都能吸收光照而發電，并且在弱光下也保持良好轉換效率，可被制作成不同形狀的室內裝飾的移動充電裝置，實現室內光伏裝飾一體化，具有較大的應用前景。

　　近期這一成果發表在Nature Communications 上，福州大學碩士生導師鄧輝博士為該論文的第一作者，福州大學程樹英教授為通訊作者。