单靶磁控溅射法制备CZTS(Se)薄膜及其在太阳电池中的应用

摘要

Cu2ZnSnSxSe4.x(CZTSSe)具有合适的禁带宽度(1.5eV)和较高的光吸收系数(α＞104cm-1)，且元素储量丰富，是最具潜力的高效率、低成本新型绿色光伏材料之一。但是，CZTS材料组分容忍度和单晶区域很小，存在二次相和元素分解等问题，难以制备高质量的CZTS薄膜。目前，CZTS薄膜器件的最高转换效率为12.6％，远低于32％的理论效率。为了发展高效率、低成本的CZTS薄膜技术，大量的研究工作必不可少。
　　论文的第一部分，采用操作简便的单靶（等化学计量的Cu2ZnSnS4四元化合物靶材）磁控溅射法沉积CZTS薄膜。研究发现，在溅射功率为75W，压强为0.8Pa的条件下，CZTS薄膜具有较高的沉积速率12.7nm/min，合适的元素配比Cu∶Zn∶Sn∶S=24.90∶12.77∶12.76∶49.57，但沉积得到的CZTS薄膜颗粒尺寸为纳米级别，结晶性较差。为了提高薄膜的结晶质量，采用低成本、安全的硫粉作为硫源代替有毒的H2S/H2Se气体，对沉积得到的CZTS薄膜进行硫化处理。研究发现，若硫化时间太短或者硫化温度太低，CZTS薄膜结晶性不好;而硫化时间太长或者硫化温度太高，则随着Sn元素损失出现二次相和孔洞。在硫化温度为500℃，硫化时间为30min条件下，得到的CZTS薄膜结晶性能好且具有优异的光电性能:光学带隙1.53 eV,载流子浓度3.2x1015cm-3，迁移率57.6cm2(V.s)-1。
　　论文的第二部分，成功制备得到结构为SLG/Mo/CZTS/CdS/iZnO-AZO/Al的CZTS电池器件。I-V特性表征发现硫化温度对电池电流密度有很大影响:硫化温度升高，CZTS薄膜结晶性改善，晶体缺陷和载流子复合中心减少，从而增大载流子迁移率和电池电流密度。在500℃硫化30min得到的CZTS薄膜电池具有最优的Ⅳ性能:电池效率4.4％，开路电压650mV，电流密度19.2mA/cm2，填充因子37％。
　　最后，通过调节CZTS靶材中S/Se元素的比例，制备不同S/Se元素含量的CZTS薄膜。研究表明，控制Cu2ZnSnSexS4-x薄膜中S/Se含量，可以实现薄膜光学带隙在1.27-1.53eV范围内可调。基于Cu2ZnSnSexS4-x薄膜，实验制备得到双梯度带隙的CZTS薄膜电池。量子效率分析发现，梯度带隙的CZTS薄膜电池具有更宽的光谱吸收范围，量子效率高达72％，比单一带隙的CZTS薄膜电池（量子效率为52％）高出20％。
　　总之，本文提出一种操作简单，成本低的CZTS薄膜和电池器件的制备方法，得到的CZTS薄膜具有良好的结晶性和优异的光电性能，在此基础上制备的电池器件显示出较高的电池效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 CZTS薄膜材料

1．2．1 铜基Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4族半导体材料

1．2．2 CZTS结构特性

1．2．3 CZTS光学性质

1．2．4 CZTS薄膜制备方法

1．3 CZTS薄膜太阳能电池

1．3．1 CZTS薄膜电池发展历史

1．3．2 CZTS薄膜电池结构

1．3．3 CZTS薄膜电池工作原理

1．4 论文选题依据和研究内容

1．4．1 CZTS薄膜电池研究的挑战

1．4．2 本文主要研究内容

第二章 溅射沉积CZTS薄膜

2．1 磁控溅射法沉积CZTS薄膜

2．1．1 溅射镀膜技术

2．1．2 实验设备与材料

2．1．3 实验过程与方法

2．1．4 CZTS薄膜分析测试

2．2 CZTS薄膜性质研究

2．2．1 CZTS靶材表征

2．2．2 CZTS薄膜沉积速率分析

2．2．3 CZTS薄膜结构形貌分析

2．2．4 CZTS薄膜成分分析

2．2．6 小结

第三章 CZTS薄膜性能优化

3．1 实验过程与方法

3．1．1 实验设备与材料

3．1．2 实验过程

3．1．3 实验设计

3．2 热处理温度对CZTS薄膜的影响

3．2．1 物相分析

3．2．2 形貌成分分析

3．2．3 光学性质分析

3．2．4 电学性质分析

3．2．5 小结

3．3 硫化时间对CZTS薄膜的影响

3．3．1 物相分析

3．3．2 成分分析

3．3．3 表面形貌分析

3．3．4 小结

3．4 Na元素对CZTS薄膜性能的影响

3．4．1 结构形貌分析

3．4．2 Na元素分布

3．4．3 物相分析

3．4．4 小结

第四章 CZTS薄膜电池制备与性能研究

4．1 CZTS薄膜电池制备过程与方法

4．1．1 实验设备与材料

4．1．2 电池制备过程

4．2 CZTS薄膜电池性能分析

4．2．1 IV性能分析

4．2．2 器件形貌与元素分布

4．2．3 量子效率分析

4．2．4 小结

4．3 CZTS薄膜电池性能优化

4．3．1 梯度带隙的CZTSSe薄膜

4．3．2 CZTS／CZTSSe／CZTSe薄膜性能研究

4．3．3 梯度带隙薄膜电池制备与性能研究

4．3．4 小结

第五章 总结

参考文献

致谢