CZTSSe吸光层结晶性的改善和其对电池效率的影响

摘要

铜锌锡硫硒 Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)化合物因为具有合适的禁带宽度、高吸光系数、材料成本低和由无毒元素组成等优势，成为太阳能电池研究的热点。和传统的硫硒化合物太阳能电池相比，溶液法制备的CZTSSe太阳能电池获得的光电转换效率更高。目前世界上最高的12.6％的认证效率的CZTSSe太阳能电池是由肼基溶液法制备的，但是肼的毒性限制了其商业化应用的可能性。其它非肼溶液法制备的CZTSSe太阳能电池虽然得到了广泛的研究，但是很难制备出具有良好结晶性的吸光层。本论文以此为研究出发点，通过理性设计实验方案，系统研究了如何改善CZTSSe太阳能电池吸光层的结晶性。
　　第一．我们通过系统地优化硒化时间，发现CZTSSe太阳能电池的吸光层结晶性和硒化时间具有巨大的相关性。当硒化时间为10 min的时候，吸光层为大颗粒/小颗粒/大颗粒的三明治结构，获得了5.37%的光电转换效率。随着硒化时间延长到20 min和30 min，小颗粒层变薄，但是太阳能电池效率降低，主要是因为表面出现孔洞或者小粒子层出现裂缝。当硒化时间延长到45 min，小颗粒层消失，形成了大颗粒层紧密堆砌的吸光层，电池效率也提高到6.23%。
　　第二．我们研究了硒化过程中通过固相掺杂锗单质来提高CZTSSe太阳能电池吸光层的结晶性。锗单质在高温硒化的过程中首先和硒蒸汽反应生成 GeSe2。GeSe2具有较高的蒸汽压，能够生成气相化合物和硒蒸汽一起对铜锌锡硫(CZTS)的薄膜进行重整。和没有引入锗单质的硒化过程相比，锗单质的引入能够显著地促进晶粒的生长、消除小颗粒层和将锗元素引入到CZTSSe吸光层中，进而提高CZTSSe太阳能电池的效率和开路电压。
　　本论文在系统调研 CZTSSe太阳能电池研究现状和存在的急需解决的问题的基础上，理性地设计实验方案，对实验结果进行了系统地表征，取得了比较满意的实验结果。本论文提出的实验方案为改善CZTSSe太阳能电池吸光层的结晶性和提高CZTSSe太阳能电池的效率提供了新的解决方案。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的原理

1.3 太阳能电池的分类

1.4 CZTSSe化合物的组成和结构

1.5 CZTSSe太阳能电池的结构

1.6 CZTSSe太阳能电池的研究历史和现状

1.7 本论文的研究意义和研究思路

参考文献

第二章 硒化时间对CZTSSe吸光层结晶性和电池效率的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 硒化时引入锗来改善CZTSSe吸光层的结晶性

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 总结与展望

4.1 工作总结

4.2 工作展望

致谢

硕士期间发表和已完成的工作