Cu2ZnSn(S1-x,Sex)4薄膜的制备与性能研究
近些年来，以铜铟镓硒(CIGS)为代表的薄膜太阳能电池发展迅速，虽然CIGS已经实现了超过20％的转换效率，但是由于铟和镓储量稀少，限制了该薄膜电池的发展。Cu2ZnSn(S1-x，Sex)4(0≤x≤1)是一种具有类似CIGS结构的直接带隙p型半导体材料，禁带宽度可调(1.0-1.6eV)，十分接近半导体太阳电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)，其吸收系数可达104cm-1，并且所含组分储量丰富，无毒，对环境污染小。因此Cu2ZnSn(S1-x，Sex)4成为太阳能电池吸收层的最佳候选材料。 在本论文中，我们采用化学溶液法，以无机金属盐为原料，成功制备出了Cu2ZnSn(S1-x，Sex)4薄膜和纳米晶颗粒，并探讨和分析了不同的制备条件对产物的影响。同时，我们也考察薄膜的光电性能。本论文主要工作包括以下几个部分: 1.采用连续离子层吸附反应法(SILAR)，直接在衬底上沉积CZTS薄膜，当反应体系温度的温度稳定在50℃并且阴阳离子的pH值分别为3.0和6.0左右时，实验的重复性得到提高，在此基础上我们系统地研究了浸渍循环次数和退火气氛对薄膜性能的影响。研究结果表明:循环次数50次时，薄膜的表面致密均匀，厚度达到约500nm，禁带宽度为1.4eV，同时其光电流密度是其它浸渍循环次数得到薄膜的4～5倍，并且薄膜中的杂质含量降到最低，同时硫化退火提高了薄膜的致密度，优化了化学配比，提高了结晶度和光电流稳定性。 2.采用水热法首次直接在衬底上制备出CZTS薄膜，并系统研究水热反应时间对薄膜的影响，表征结果证明，反应时间延长至12h，薄膜的纯度达到最高，厚度达到微米级别同时在薄膜表面出现不规则分散的片状颗粒，光电流密度峰值达到2.5μA·cm-2，稳定在2.0μA·cm-2左右，而禁带宽度并不受反应时间的影响，基本稳定在1.4eV，其结构表征符合CZTS的要求。无论硫化还是硒化退火，都提高了薄膜的致密度，其中硒化退火之后薄膜呈现一种CZTSSe结构，禁带宽度收缩到1.3eV，并且光电流密度约为CZTS薄膜的4倍左右，性能得到显著提高。 3.采用醇热法首次直接在衬底上制备出CZTS薄膜，纯氩气退火之后，薄膜出现裂缝，并伴有大量硫缺陷，结晶度改善不明显，同时禁带宽度增大到1.75eV，基本没有光电响应现象;而硫化退火之后，薄膜的缺陷减少，致密度和结晶度都得到提高，禁带宽度为1.42eV且光电流稳定到1.0μA·cm-2;硒化退火之后，薄膜呈现CZTSe晶型，禁带宽度收缩到1.15eV，其光电流值为硫化退火之后的2倍左右，性能提高显著，证明了退火过程加入硫源或硒源的重要性。 4.采用水热法制备CZTS纳米晶颗粒，并用简便的刷涂法制备出CZTS薄膜，系统地研究了水热反应时间对纳米晶生长的影响，反应时间对薄膜的纯度有着显著影响，当反应时间为9h左右时，样品的纯度达到最高，禁带宽度为1.58eV并且光电响应相对稳定到15μA·cm-2。
太阳能电池;铜锌锡薄膜;半导体材料;制备工艺;光电性能
青岛科技大学
硕士
无机化学
董立峰
2015
中文
TN304.1
81
2015-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）