溶胶—凝胶法制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)薄膜的研究

摘要

Cu2ZnSnS4(CZTS)太阳能电池由于元素含量丰富，无毒，大规模生产的成本低廉，被认为是薄膜太阳能电池中最有前途的新型材料。CZTS为直接带隙材料，其光吸收系数高于104cm-1，禁带宽度约与太阳能电池所需要的最佳禁带宽度1.50eV相匹配，非常适用于太阳能电池。目前已有多种方法制备CZTS薄膜及其太阳电池，并得到了较高的光电转换效率。本论文中采用低成本、高产出并且毒性小的溶胶-凝胶法来制备CZTS薄膜及其太阳电池，论文的创新性结论如下:
　　1)匀胶机的转数关系到CZTS薄膜的厚度和均匀度，当匀胶机转数越大时，薄膜的厚度越小，但薄膜的表面越均匀，综合这两方面，3000rpm为最佳的转数。同时，溶液中硫脲的含量关系到CZTS薄膜的晶体结构。前驱体溶液中S/(Cu+Zn+Sn)=2.5时制备的薄膜最为纯净，性能最佳。
　　2)后处理过程对CZTS薄膜的性能起到很关键的作用。在退火实验中，温度过低薄膜的结晶不佳，525℃退火的样品性能表现最好，温度过高时，薄膜会生成Cu2-xS杂相。薄膜在硫化实验中，硫蒸气对CZTS有一定抑制作用。薄膜的结晶特性要优于退火，550℃硫化后可制备出纯的CZTS薄膜。
　　3)溶液中各物质的配比关系到最后样品中各物质的含量，在这个正交实验中，贫铜富锌制备的薄膜性能较好，贫铜的环境加强了铜空位的形成，减少了Cu和S化合物的生成，另外材料中的Sn容易流失，减少溶液中Sn的量可减少杂相生成。Zn/Sn=1.2，Cu/(Zn+Sn)=0.90这个比例在结晶，电导率，光学带隙等方面表现优越，是本研究中最好的配比。
　　4)制备了Glass/Mo/CZTS/CdS/ITO/Al结构的CZTS薄膜电池，并初步获得了0.10％的效率(开路电压Voc为142mV，电流密度Jsc为2.2mA/cm2，填充因子FF为32.54％)。CZTS和CdS膜都是用非真空方法制备，很容易出现孔洞，导致pn结短路，使得并联电阻太小;由于pn结的那两层膜的电导率不够好，串联电阻太大;还有界面处理不够完善，界面复合很强，暗电流大，使得开路电压小，以上这些都是效率低的原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 CZTS薄膜太阳电池的研究进展

1．2．1 CZTS薄膜的结构

1．2．2 CZTS薄膜中的缺陷

1．2．3 CZTS薄膜的制备原材料的选择

1．2．4 CZTS薄膜的反应过程

1．2．5 CZTS薄膜太阳电池的机遇

1．2．6 CZTS薄膜太阳电池的挑战

1．3 本文的研究内容和结构

2 铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池的制备及表征

2．1 引言

2．2 CZTS薄膜的制备方法

2．2．1 真空沉积法

2．2．2 非真空沉积法

2．3 CdS薄膜的制备方法

2．3．1 电化学法

2．3．2 化学水浴法

2．4 表征手段

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 Raman散射光谱

2．4．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．4 半导体电阻测试仪

2．4．5 紫外可见分光光度计

2．4．6 电池效率测试仪

3 CZTS薄膜制备研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 制备过程

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同转数对CZTS薄膜的影响

3．3．2 混合溶液中硫脲浓度对CZTS薄膜性能的研究

3．3．3 后处理条件对CZTS薄膜的影响

3．3．4 溶液中不同配比对CZTS薄膜的影响

3．4 本章小结

4 CdS薄膜及CZTS薄膜电池的制备

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 实验试剂及仪器

4．2．2 制备过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 CdS薄膜的制备研究

4．3．2 CZTS薄膜太阳能电池的制备

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 本实验的主要结论

5．2 有待进一步开展的工作

参考文献

个人简历及硕士期间发表的论文

致谢