Cu2ZnSnS4薄膜的溶胶—凝胶法制备及其性能研究

摘要

近年来太阳能光伏发电在全球范围内得到了迅速发展。薄膜太阳能电池因为具有成本低、质量轻并且可柔性化等优点在太阳能电池中占有了一定的市场。理论预测Cu2ZnSnS4(CZTS)和 Cu2ZnSnSe4(CZTSe)四元硫族化合物薄膜太阳能电池具有较高的光电转换效率，并且该类化合物可由廉价无毒的原料合成，因而受到人们的高度关注。本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备了CZTS薄膜，并研究了热分解工艺和退火工艺对CZTS薄膜性能的影响。在此基础上，制备了CZTS/ZnO半导体异质结，并研究了其光电性能。主要内容和结论如下：
　　(1)以二甲基亚砜为溶剂，以硝酸铜、醋酸锌、氯化亚锡和硫脲为原料，利用溶胶-凝胶法配制了 CZTS前驱体溶液；并对其进行了热重和差热分析。结果表明前驱体溶液在150℃、180℃和280℃存在明显热分解反应。然后分别取适量前驱体溶液在180℃、280℃和530℃进行干燥，将所得产物进行傅里叶红外光谱分析，结果显示有机物在280℃基本分解完全。热分析和红外光谱结果说明后续薄膜制备的合适热分解温度点为280℃。
　　(2)将上述前驱体溶液利用旋涂方法在镀钼玻璃衬底上制备了薄膜，研究了逐层热处理工艺对薄膜的形貌、晶体结构和电学性能的影响。结果表明制备的薄膜都为锌黄锡矿结构的CZTS薄膜。采用逐层热分解退火热处理工艺制备的CZTS薄膜没有碳杂质的残留，颗粒尺寸达2 um，薄膜具有更小的电阻，在光照下有明显的光电导现象。而采用逐层退火热处理工艺制备的CZTS薄膜存在碳杂质，晶粒细小，并且含有CuS杂质相，薄膜具有较大的电阻。
　　(3)分别研究了退火时间(10 min、20 min、30 min)和退火过程中Sn浓度对薄膜晶相的影响。发现经10 min退火的CZTS薄膜无相分离；而随着退火时间的延长，薄膜发生了相分离；适量的Sn补偿可以缓解相分离的出现。
　　(4)在上述研究基础上，用溶胶-凝胶法制备了CZTS/ZnO半导体异质结，并分析了I-V特性。结果显示制备的CZTS/ZnO异质结具有较好的二极管特性；在光照下，电流明显增大；随着光照时间的延长，光电流也会增大。

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第一章 绪论

1.1太阳能电池概述

1.2 太阳能薄膜电池的分类

1.3 CZTS 化合物薄膜太阳能电池

1.4本论文的选题依据和主要内容

第二章 CZTS薄膜的制备工艺及其分析测试方法

2.1 底电极的制备

2.2 CZTS薄膜的溶胶-凝胶法制备工艺

2.3 CZTS薄膜的分析测试方法

第三章 热分解工艺对CZTS薄膜性能的影响

3.1 引言

3.2 CZTS前驱体溶液的热分析

3.3 CZTS薄膜形貌的表征

3.4 CZTS薄膜晶体结构的表征

3.5 CZTS薄膜I-V特性的分析

3.6 本章小结

第四章 退火工艺对CZTS薄膜性能的影响

4.1 引言

4.2 退火时间对CZTS薄膜晶相的影响

4.3 CZTS薄膜相分离的化学动力学分析

4.4 CZTS/CdS异质结I-V特性的分析

4.5 小结

第五章 CZTS/ZnO异质结的光电性能表征

5.1 引言

5.2 CZTS薄膜的光学性能

5.3 CZTS/ZnO异质结的制备

5.4 CZTS/ZnO异质结的光电性能表征

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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