两步过程制备铜锌锡硫(硒)薄膜及其光电性能研究

摘要

近年来,铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的研究工作取得了很大的进展,其最高的效率已经超过了20％。但是,由于Ga和In元素为稀有元素,储量稀少,增加了其制作成本,限制了发展。Cu2ZnSnS4(CZTS)材料由于元素含量丰富而且无毒,并且具有与太阳能光谱非常匹配的禁带宽度,成为替代CIGS最理想的光伏材料之一。与此同时, CZTS还被作为的对电极材料应用于染料敏化电池中。
　　目前,制备CZTS薄膜的方法各种各样,其中溶液法是目前制备Cu2ZnSnS4薄膜最具成效的方法。然而在溶液法制备CZTS薄膜的过程中,往往用到长链有机物或者有毒溶剂,例如油胺,肼等,对环境会造成不利的影响。并且长链有机物在高温硫化后会形成无定形碳层,不利于电荷的传输,最终会影响电池的效率。而溅射法具有污染小,薄膜的致密性高等优点,是制备CZTS薄膜的材料理想方法之一。同时,由于CZTS为四元化合物,就增加了溅射法制备CZTS薄膜材料的工艺难度。所以,发展一种新的CZTS薄膜制备方法是非常必要的。本论文中,通过一种工艺简单的溅射方法和高温退火过程制备了CZTS薄膜材料。探讨研究了将CZTS薄膜作为吸收层进行了薄膜电池的组装,以及作为对电极在染料敏化电池中的应用并进行了性能测试。本论文的工作主要包括以下几个部分:
　　1.采用单个三元的合金靶制备了Cu-Zn-Sn(CZT)合金预置层,然后在足量的硫气氛中进行硫化退火,可以有效防止金属的氧化,制备了具有锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4薄膜。在550oC退火后得到了的致密性高,晶粒大的高质量薄膜。通过XRD以及拉曼测试确定了薄膜为纯相。利用相同的过程制备了纯相的Cu2ZnSnSe4薄膜。证明了这种两步过程制备CZTS薄膜是可行的,并且溅射的工艺相对简单。通过调节硫化和硒化的时间,达到对S/Se比例的调控,进而对薄膜的质量以及材料性能进行调控。通过紫外吸收测试证明了制备的CZTS薄膜都具有可见光吸收。
　　2.尝试进行CZTS薄膜太阳能电池的组装。利用各种方法制备了Mo背电极、CdS缓冲层、i-ZnO/Al:ZnO窗口层、Al电极。然后进行薄膜电池的组装,并对电池的性能进行了I-V测试。由于没有能够对组装过程中的工艺的精确掌握,致使电池的性能结果并不理想。
　　3.采用了两步过程制备了不同厚度以及S/Se比例的CZTS对电极,并进行了染料敏化电池的组装。然后对电池性能进行了测试,探讨了不同厚度和硒化时间对电池性能的影响。当薄膜厚度达到600nm,硒化时间为80min时,得到的效率达到最高为8.42%,甚至超越了在同等条件下测试的Pt对电极组装的电池效率8.16%。通过循环伏安和电化学阻抗测试,证明了制备的对电极拥有优越的电催化性能以及导电性。

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第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的基本原理

1.3 太阳能电池的分类

1.4 铜锌锡硫薄膜材料的发展及研究现状

1.5 本论文的立题思想及主要工作

参考文献

第 2 章 两步过程制备铜锌锡硫硒薄膜

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

参考文献

第 3 章 铜锌锡硫薄膜电池的组装

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 4 章 铜锌锡硫薄膜在染料敏化电池中的应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第 5 章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 问题和展望

硕士期间发表和已完成的工作

致谢