铜锡硫和铜锌锡硫半导体光伏材料的制备及表征

摘要

铜锡硫(Cu2SnS3,CTS)和铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)是一类典型的多元化合物半导体光伏材料,它们凭借自身的p型导电特性、与太阳辐射匹配的禁带宽度、在可见光区域的高吸收系数、丰富无毒的元素特性等优点,成为薄膜太阳能电池吸收层材料领域的重点研宄对象。但现阶段的实验室制备技术仍不能得到结晶性能特别良好的薄膜,工艺参数仍有待改进。
　　本论文针对上述CmSnS3和Cu2ZnSnS4薄膜制备研宄中出现的问题和挑战,以制备出具有柱状晶粒的Cu2SnS3薄膜为主要目的,探索研宄了采用不同前驱体结构的Cu2SnS3制备技术,优化了硫化退火工艺条件;以适应大规模生产技术为目的,探索了电沉积法制备Cu2ZnSnS4的实验条件。本论文的具体研宄内容如下:
　　(1)采用Cu/Sn叠层结构金属前驱体硫化退火的方法,制备出具有柱状晶粒的Cu2SnS3薄膜;研宄了前驱体硫化退火时出现的Sn元素流失问题,发现了Cu2SnS3薄膜生长过程中的Cu/Sn比例自适应现象;提出了通过选择具有恰当Cu/Sn比例(略小于2.00)的前驱体,来避免硫化退火时出现Sn流失现象的解决方案。
　　(2)尝试采用Cu/Sn比例为1.88的Cu-Sn合金单靶,溅射制备出Cu/Sn比例一定(约为2.00)的Cu-Sn合金前驱体,其硫化退火后成功制备出了Cu2SnS3薄膜;该制备路径的高温(多450°C)热处理过程中,没有出现Sn流失现象;通过增加预退火步骤和长时间(18h)低温(250°C)条件下S气氛扩散步骤,得到了具有柱状大晶粒的Cu2SnS3薄膜;通过控制退火时硫源和砸源的比例,可控地调节了Cu2Sn(S,Se)3薄膜中的S/Se比例,实现了Cu2Sn(S,Se)3薄膜禁带宽度可调的目标;成功在Mo电极层上完成该路径的Cu2SnS3薄膜制备,为进一步制备Cu2SnS3薄膜太阳能电池器件做好了准备。
　　(3)提出“采用Cu金属单质层作为前驱体,气相引入Sn、S元素制备Cu2SnS3薄膜”的实验思路,并验证了该制备路径的可行性,在一定程度上简化了前驱体制备时间,开辟Cu2SnS3薄膜制备的新途径。
　　(4)得到了一套采用电沉积法硫化退火制备Cu2ZnSnS4薄膜的工艺技术,为今后在大规模生产中采用电沉积法制备目标薄膜积累了宝贵的经验。