铜锌锡硫和硫化亚锡薄膜的制备及其在太阳电池中的应用

摘要

本论文采用水热法和溶液法分别制备了铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，CZTS)和硫化亚锡(SnS)半导体材料粉体，再直接以其为源，利用真空热蒸发技术制备了相应的CZTS和SnS薄膜，并将其置于高纯N2气氛中，在不同的温度下进行了退火处理。使用X-射线荧光光谱仪(XRF)分析了所制备的CZTS和SnS半导体材料粉体的元素组成，通过X-射线能谱仪(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)、霍尔效应测试仪等表征测试，研究了退火温度对CZTS和SnS薄膜的元素组成、晶体结构、表面形貌、直接带隙以及电学性能等的影响。
　　结果表明，所制备的CZTS和SnS半导体材料粉体的元素组成分别为Cu1.90Zn0.94Sn1.00S4.30和Sn1.00S1.11，均符合理想的化学计量比；采用真空热蒸发技术所沉积的CZTS和SnS薄膜均为非晶态，退火处理不仅能其使由非晶态转变为结晶态，还能拓宽它们的光吸收范围。随着退火温度的升高，CZTS薄膜的结晶性变好，且在(112)晶面方向上择优生长；当退火温度达到350℃时，CZTS薄膜的表面出现了部分脱落现象；其直接带隙经退火处理后，也会由于结晶性的变好而从退火前的1.87 eV，分别降低到200℃退火的1.57 eV，300℃退火的1.55 eV和350℃退火的1.37 eV。而对于所制备的SnS薄膜，由XRD的结果和EDS的数据分析可知，其主要成分为Sn2S3；当退火温度达到300℃时，开始出现氧化的现象；当退火温度到400℃时，已基本被氧化成SnO2。综合CZTS和SnS薄膜的各项性能表征结果可知，在300℃进行退火处理的CZTS薄膜较适合用来进行电池器件的组装，经霍尔效应测试，其导电类型为p-型。所组装的结构为FTO/CdS/CZTS/Al的薄膜太阳电池器件，在AM1.5和100 mW·cm-2光强条件下，获得了0.36%的光电转换效率。

目录

文摘

英文文摘

致谢

插图清单

表格清单

第一章 绪论

1.1 薄膜太阳电池

1.2 薄膜太阳电池的种类及发展

1.2.1 晶硅薄膜太阳电池

1.2.2 染料敏化薄膜太阳电池

1.2.3 化合物薄膜太阳电池

1.2.4 有机聚合物薄膜太阳电池

1.3 铜锌锡硫

1.3.1 铜锌锡硫的性质

1.3.2 铜锌锡硫材料与薄膜的制备及应用

1.4 硫化亚锡

1.4.1 硫化亚锡的性质

1.4.2 硫化亚锡薄膜的制备及应用

1.5 本论文的研究目的、意义及内容

第二章 铜锌锡硫粉体的制备

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 铜锌锡硫粉体的制备

2.2.3 测试方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 铜锌锡硫粉体的元素组成

2.3.2 退火处理对铜锌锡硫的晶体结构和表面形貌的影响

2.3.3 退火处理对铜锌锡硫的直接带隙的影响

2.4 本章小结

第三章 真空热蒸发法制备铜锌锡硫薄膜太阳电池

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 真空热蒸发法制备铜锌锡硫薄膜

3.2.3 铜锌锡硫薄膜的退火处理

3.2.4 铜锌锡硫薄膜太阳电池的组装

3.2.5 测试方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 退火温度对铜锌锡硫薄膜的元素组成和晶体结构的影响

3.3.2 退火温度对铜锌锡硫薄膜的表面形貌的影响

3.3.3 退火温度对铜锌锡硫薄膜的直接带隙的影响

3.3.4 铜锌锡硫薄膜的电学性能

3.3.5 铜锌锡硫薄膜太阳电池的光伏性能

3.4 本章小结

第四章 硫化亚锡薄膜的制备

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 真空热蒸发法制备硫化亚锡薄膜

4.2.3 测试方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 硫化亚锡材料粉体的元素组成

4.3.2 退火温度对硫化亚锡薄膜的元素组成和晶体结构的影响

4.3.3 退火温度对硫化亚锡薄膜的表面形貌的影响

4.3.4 退火温度对硫化亚锡薄膜的直接带隙的影响

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利