Cu-Sn-S及Cu2ZnSnS4薄膜的连续离子层吸附反应法制备及光电性能研究

摘要

太阳能光伏发电是解决能源危机和环境污染问题的有效途径。在各种光电转换材料中，金属硫化物薄膜以其转换效率高、稳定性好等优良性质成为研发的热点。采用连续离子层吸附反应(SILAR)法制备多元金属硫化物薄膜具有易于化学计量调控、可大面积连续成膜、非真空和低成本等优势，具有良好的发展前景。
　　本论文采用连续离子层吸附反应法制备Cu-Sn-S和Cu2ZnSnS4薄膜并研究了其光电性能，得到以下主要结果:
　　(1)通过控制前驱体溶液的浓度和后续热处理的温度，得到了Cu2SnS3、Cu5Sn2S7和Cu3SnS4三种不同晶体结构的薄膜。通过表征薄膜的光学、电学和热电性能，发现三种薄膜的光吸收系数都在104cm-1以上，禁带宽度在1.02-1.47eV之间，载流子浓度和载流子迁移率均可以达到1019cm-3和10cm2V-1s-1的数量级，具有优良的光学和电学性质，并且发现了Cu3SnS4和Cu5Sn2S7薄膜具有应用于热电转换领域的潜力。
　　(2)采用叠层结构制备CZTS薄膜，研究了热处理制度及预制层叠层顺序对薄膜性能及电池器件效率的影响，发现了580℃温度下保温60min，采用Mo/ZnS/Cu2SnS3的叠层更有利于制备性能优良的薄膜和电池器件。最终优化以上制备条件，得到了效率4.26％的CZTS薄膜太阳电池器件，这是目前报道基于SILAR法制备CZTS太阳电池的最高效率。
　　(3)制备了以Mo箔为基底的柔性CZTS薄膜太阳电池，研究了叠层结构对柔性基底上薄膜性能及器件效率的影响，最终获得了效率为2.42％的柔性太阳电池器件。通过分析器件的截面形貌、外量子效率和亮暗态I-V曲线，揭示了电池效率的损失机理。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 太阳电池原理

1．3 薄膜太阳电池的研究进展

1．3．1 硅基薄膜太阳电池

1．3．2 Cu(In，Ga)(S，Se)2(CIGSSe)薄膜太阳电池

1．3．3 CdTe薄膜太阳电池

1．3．4 新型薄膜太阳电池光吸收层材料

1．4 化合物薄膜材料的制备方法

1．4．1 蒸发法

1．4．2 磁控溅射法

1．4．3 电沉积法

1．4．4 前驱体涂覆法

1．4．5 溶液法

1．5 本论文的研究内容及目的意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究目的及意义

2 实验方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 检测表征仪器设备

2．4 连续离子层吸附反应法制备金属硫化物薄膜

2．4．1 实验设备

2．4．2 连续离子层吸附反应法(SILAR)的基本原理

2．5 薄膜太阳电池器件制备工艺

2．5．1 磁控溅射制备背电极Mo

2．5．2 化学水浴法制备CdS缓冲层

2．5．3 磁控溅射制备本征氧化锌(i-ZnO)和ITO

3 SILAR法制备Cu-Sn-S系薄膜及其光电性能的研究

3．1 SILAR法制备Cu-Sn-S系薄膜

3．1．1 制备工艺的探究

3．1．2 Cu-Sn-S薄膜的沉积机理研究

3．2 Cu-Sn-S薄膜的物相成分结构分析

3．2．1 薄膜的能量色散谱仪(EDS)分析

3．2．2 薄膜的X射线衍射仪(XRD)分析

3．2．3 薄膜的拉曼光谱(Raman)分析

3．2．4 薄膜的扫描电子显微镜(SEM)分析

3．3 Cu-Sn-S薄膜的光学、电学及热电性能表征

3．3．1 Cu-Sn-S薄膜的光学性质

3．3．2 Cu-Sn-S薄膜的电学性质

3．3．3 Cu-Sn-S薄膜的热电性质

3．4 本章小结

4 SILAR法制备Cu2ZnSnS4薄膜及太阳电池

4．1 SILAR法制备CZTS薄膜

4．1．1 制备工艺的探究

4．1．2 CZTS预制层薄膜成分调控

4．1．3 CZTS预制层薄膜的硫化热处理

4．2 热处理温度对薄膜影响

4．2．1 热处理温度对薄膜成分的影响

4．2．2 热处理温度对薄膜形貌的影响

4．2．3 热处理温度对薄膜物相结构的影响

4．2．4 热处理温度对器件性能的影响

4．3 保温时间对薄膜的影响

4．3．1 保温时间对薄膜形貌的影响

4．3．2 保温时间对薄膜物相结构的影响

4．3．3 保温时间对器件性能的影响

4．4 预制层薄膜叠层结构对薄膜的影晌

4．4．1 叠层结构对薄膜形貌的影响

4．4．2 叠层结构对薄膜物相结构的影响

4．4．3 叠层结构对器件性能的影响

4．5 本章小结

5 SILAR法制备柔性CZTS薄膜太阳电池

5．1 SILAR法制备柔性CZTS薄膜

5．2 柔性CZTS薄膜的成分、结构、形貌分析

5．2．1 薄膜的成分分析

5．2．2 薄膜的物相结构分析

5．2．3 薄膜的形貌分析

5．3 柔性CZTS薄膜太阳电池器件的表征

5．3．1 柔性CZTS薄膜太阳电池的器件Ⅰ-Ⅴ曲线分析

5．3．2 柔性CZTS薄膜太阳电池的器件效率损失机理分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读学位期间主要学术成果

致谢