溶胶—凝胶法制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)和铜锡硫(Cu2SnS3)薄膜太阳电池

摘要

铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)，铜锡硫(Cu2SnS3)元素矿藏丰富无毒，为P型直接带隙半导体材料，光电学性质优良，是薄膜太阳电池吸收层较佳候选材料。近年来，非真空法制备Cu2ZnSnS4材料受到广泛关注，并获得了最高效率。溶胶-凝胶法是一种绿色廉价的溶液法，本实验室基于该法制作的Cu2ZnSnS4薄膜太阳电池效率在3％以上，为进一步提高其光电转换效率，本实验针对背接触改性和硫化压强做了研究。此外，首次采用溶胶-凝胶法制作了Cu2SnS3薄膜，并对其成分和低压硫化温度做了较为系统的探索，制作的Cu2SnS3薄膜太阳电池获得了0.58％的光电转换效率。研究内容包括以下几个部分:
　　1)研究不同厚度TiB2对溶胶-凝胶法制作的Cu2ZnSnS4薄膜太阳电池吸收层和器件性能的影响。实验发现，TiB2薄膜作为中间层可以优化Cu2ZnSnS4吸收层和钼(Mo)背电极之间的界面，有效抑制硫化钼(MoS2)的形成，降低串联电阻，显著地提高短路电流密度和填充因子，提高器件的效率。但过厚的TiB2会降低Cu2ZnSnS4吸收层的结晶性，降低器件的开路电压，从而降低器件的光电转换效率。因此，要将TiB2控制在合适的厚度范围内，才能使器件背接触区域的MoS2较薄，同时保证吸收层中Cu2ZnSnS4结晶性好。
　　2)溶胶-凝胶法制作的Cu2ZnSnS4低压硫化薄膜太阳电池获得了5.7％的效率，与效率为4.1％的常压硫化样品相比，其开路电压和填充因子均提高。低压硫化吸收层薄膜中晶粒更大，晶界较少，且没有SnS二次相的存在，这有利于提高电池的开路电压和填充因子。且低压硫化能够减少背接触区域MoS2的厚度，但硫化后样品表面的ZnS二次相含量增高。综合来看，低压硫化对器件的短路电流密度影响较小，可增加电池开路电压，提升光电转换效率。
　　3)首次采用溶胶-凝胶法制作Cu2SnS3薄膜太阳电池。探索发现Cu/Sn金属比为1.79的前驱体薄膜，高温低压硫化(580℃和600℃)后表面较为致密，Cu2SnS3晶粒较大，适合作为薄膜太阳电池的吸收层。以Cu/Sn为1.79，580℃低压硫化薄膜制作的Cu2SnS3器件，吸收层中Cu/Sn比为1.82，获得了0.58％的光电转换效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 太阳电池种类与工作原理

1．3 薄膜太阳电池吸收层制备方法

1．3．1 真空法

1．3．2 非真空法

1．4 铜锌锡硫和铜锡硫薄膜太阳电池研究进展概述

1．4．1 铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)薄膜太阳电池研究进展

1．4．2 铜锡硫(Cu2SnS3)薄膜太阳电池研究进展

1．5 研究内容与意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究意义

2 实验方法

2．1 实验方案

2．1．1 溶胶配制与稀释

2．1．2 旋涂与低温预烧结

2．1．3 热处理

2．1．4 化学水浴法沉积缓冲层

2．1．5 溅射窗口层

2．2 试剂与仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 表征与性能分析方法

2．3．1 薄膜成分分析

2．3．2 薄膜与截面形貌分析

2．3．3 薄膜物相分析

2．3．4 太阳电池器件光电性能测试

3 溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)薄膜太阳电池的优化

3．1 背接触改性优化

3．1．1 引言

3．1．2 实验概述

3．1．3 器件断面形貌与成分

3．1．4 背接触区物相

3．1．5 器件性能对比

3．1．6 不同厚度的TiB2对背接触区域物相的影响

3．1．7 不同厚度TiB2对器件性能的影响

3．2 硫化分压研究

3．2．1 引言

3．2．2 实验概述

3．2．3 常压，低压硫化对CZTS吸收层薄膜形貌的影响

3．2．4 常压，低压硫化对CZTS吸收层薄膜物相的影响

3．2．5 常压，低压硫化对CZTS薄膜太阳电池性能的影响

3．3 本章小结

4 溶胶-凝胶法制备铜锡硫(Cu2SnS3)薄膜太阳电池

4．1 引言

4．2 溶胶-凝胶法制备CTS前驱体薄膜

4．2．1 CTS前驱体溶液配制与稀释

4．2．2 旋涂法制备CTS前驱体薄膜

4．2．3 CTS前驱体薄膜成分、形貌与物相分析

4．3 低压硫化制作CTS吸收层

4．3．1 引言

4．3．2 不同Cu／Sn比前驱体薄膜560℃低压硫化后的成分，形貌及物相

4．3．3 不同Cu／Sn比前驱体薄膜580℃低压硫化后的成分，形貌及物相

4．3．4 不同Cu／Sn比前驱体薄膜600℃低压硫化后的成分，形貌及物相

4．3．5 比较与分析

4．4 CTS器件制作与性能分析

4．4．1 器件制作流程概述

4．4．2 器件性能比较与分析

4．5 本章小结

5 结论与展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢