兩步過程制備銅鋅錫硫(硒)薄膜及其光電性能研究.pdf

1、近年來,銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池的研究工作取得了很大的進展,其最高的效率已經(jīng)超過了20％。但是,由于Ga和In元素為稀有元素,儲量稀少,增加了其制作成本,限制了發(fā)展。Cu2ZnSnS4(CZTS)材料由于元素含量豐富而且無毒,并且具有與太陽能光譜非常匹配的禁帶寬度,成為替代CIGS最理想的光伏材料之一。與此同時, CZTS還被作為的對電極材料應用于染料敏化電池中。
　　目前,制備CZTS薄膜的方法各種各樣,其中溶液法是目

2、前制備Cu2ZnSnS4薄膜最具成效的方法。然而在溶液法制備CZTS薄膜的過程中,往往用到長鏈有機物或者有毒溶劑,例如油胺,肼等,對環(huán)境會造成不利的影響。并且長鏈有機物在高溫硫化后會形成無定形碳層,不利于電荷的傳輸,最終會影響電池的效率。而濺射法具有污染小,薄膜的致密性高等優(yōu)點,是制備CZTS薄膜的材料理想方法之一。同時,由于CZTS為四元化合物,就增加了濺射法制備CZTS薄膜材料的工藝難度。所以,發(fā)展一種新的CZTS薄膜制備方法是非常

3、必要的。本論文中,通過一種工藝簡單的濺射方法和高溫退火過程制備了CZTS薄膜材料。探討研究了將CZTS薄膜作為吸收層進行了薄膜電池的組裝,以及作為對電極在染料敏化電池中的應用并進行了性能測試。本論文的工作主要包括以下幾個部分:
　　1.采用單個三元的合金靶制備了Cu-Zn-Sn(CZT)合金預置層,然后在足量的硫氣氛中進行硫化退火,可以有效防止金屬的氧化,制備了具有鋅黃錫礦結構的Cu2ZnSnS4薄膜。在550oC退火后得到了的致

4、密性高,晶粒大的高質量薄膜。通過XRD以及拉曼測試確定了薄膜為純相。利用相同的過程制備了純相的Cu2ZnSnSe4薄膜。證明了這種兩步過程制備CZTS薄膜是可行的,并且濺射的工藝相對簡單。通過調節(jié)硫化和硒化的時間,達到對S/Se比例的調控,進而對薄膜的質量以及材料性能進行調控。通過紫外吸收測試證明了制備的CZTS薄膜都具有可見光吸收。
　　2.嘗試進行CZTS薄膜太陽能電池的組裝。利用各種方法制備了Mo背電極、CdS緩沖層、i-Z

5、nO/Al:ZnO窗口層、Al電極。然后進行薄膜電池的組裝,并對電池的性能進行了I-V測試。由于沒有能夠對組裝過程中的工藝的精確掌握,致使電池的性能結果并不理想。
　　3.采用了兩步過程制備了不同厚度以及S/Se比例的CZTS對電極,并進行了染料敏化電池的組裝。然后對電池性能進行了測試,探討了不同厚度和硒化時間對電池性能的影響。當薄膜厚度達到600nm,硒化時間為80min時,得到的效率達到最高為8.42%,甚至超越了在同等條件下