中间带材料CuGa1-x-yTixZnyS2和CuGa1-xSnxSe2薄膜的制备及其特性

摘要

中间带太阳电池（IBSC）因其具有最高的理论转化效率（63.2%）备受科学家们广泛关注。黄铜矿结构的CuGaS2和CuGaSe2具有较宽的光学带隙，不适合直接作为太阳电池光吸收层材料，然而通过掺杂，能够形成中间带材料，从而扩宽光吸收范围，增强光吸收，降低光学带隙。本文主要研究了Zn对Ti掺杂CuGaS2薄膜中间带的影响和Sn掺杂CuGaSe2薄膜的制备与性能研究。
　　第一，采用Cu2S、Ga2S3、TiS2和ZnS作为原始材料，通过球磨、旋涂和退火的方式，制备CuGa1-x-yTixZnyS2薄膜。结果表明，在一定的Ti掺杂浓度下，通过掺杂Zn，能够调节Ti-CuGaS2中间带的位置，这种调节能力随着Ti掺杂浓度的提高而减弱，在不同的Ti和Zn掺杂浓度下，中间带的位置最大被调节了0.19eV。在较低的Ti掺杂浓度下，Zn的掺杂有益于CuGa1-x-yTixZnyS2薄膜的结晶性，使样品薄膜表面更加平整、致密。Cu、Ga、Ti、Zn和S元素在薄膜样品中分布均匀，球磨能够有效地将Ti和Zn共掺进CuGaS2薄膜。
　　第二，选择CuSe和Ga2Se3作为原始材料，通过传统的球磨涂敷工艺制备CuGaSe2薄膜，结果得到，CuGaSe2薄膜的最佳退火温度为600℃，时间为20min，其光学带隙Eg=1.65eV。然后在CuGaSe2薄膜的制备工艺下，掺杂不同浓度的Sn。研究表明，随着Sn掺杂浓度的增加，CuGa1-xSnxSe2薄膜的(112)衍射峰轻微地向左偏移，证明了Sn有效地掺杂进CuGaSe2。Sn的掺杂在CuGaSe2薄膜的禁带中引入了中间带，随着Sn掺杂浓度的增加，不断增强光吸收，扩宽光吸收范围，减小光学带隙，电阻率呈线性减小，电导率不断增大。当掺杂浓度x=0.06时，薄膜样品的光学带隙Eg=1.41eV最接近太阳电池材料的最佳禁带宽度值（1.45eV），并且薄膜样品的电阻率达到最小值，电导率达到最大值。Cu、Ga、Se和Sn元素在所测薄膜表面分布均匀，没有局部团簇聚集的现象，球磨法可以有效的将Sn元素均匀的掺杂进CuGaSe2薄膜内，CuGa1-xSnxSe2薄膜能够作为一种新的中间带材料。

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