共蒸發(fā)法制備Cu2ZnSnS4薄膜的反應(yīng)機(jī)理及太陽(yáng)電池器件仿真.pdf

1、銅鋅錫硫Cu2ZnSnS4(CZTS)因其帶隙（約1.45eV）與太陽(yáng)輻射匹配性好、光吸收系數(shù)高(＞104cm-1)、元素儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。通過(guò)近十幾年的發(fā)展，CZTS薄膜太陽(yáng)電池在器件效率上有了很大的提升，從1997年的2.3％發(fā)展到了今天的8.4％，是最具有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ?yáng)電池之一。在其他方面的研究，如:物理特性、元素比例、襯底溫度、帶隙調(diào)節(jié)等方面，也都取得了不少的進(jìn)展。但是也暴露出了幾個(gè)問題，一個(gè)是如何制備出

2、成分均勻的CZTS吸收層并實(shí)現(xiàn)其化學(xué)計(jì)量比的精確控制;另一個(gè)是反應(yīng)機(jī)理和相關(guān)理論的研究滯后，制約著工藝水平的進(jìn)一步提升。而后者也是解決前一個(gè)問題的關(guān)鍵，只有清楚地了解了CZTS制備過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理，才可能在理論的基礎(chǔ)上去改變工藝條件制備出成分均勻的CZTS吸收層。
　　本論文采用一步共蒸發(fā)的方法，主要圍繞CZTS的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)路徑方面展開了一些研究，希望能夠推進(jìn)其相關(guān)理論的發(fā)展。在CZTS薄膜的制備過(guò)程中存在多種反應(yīng)路徑，要想去

3、探索和研究CZTS體系的反應(yīng)機(jī)理和路徑，就必須先從二元相入手一步一步地去剖析CZTS的形成過(guò)程，然后在二元體系研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展了三元體系和四元體系的反應(yīng)機(jī)理的探索。
　　二元體系主要包括Cu-S體系、Sn-S體系和Zn-S體系:(1) Cu-S體系中，在Cu-S薄膜的形成過(guò)程中，會(huì)優(yōu)先生成Cu2S，但在充足的S蒸汽壓下，Cu2S并不穩(wěn)定，它會(huì)繼續(xù)與S反應(yīng)，最終生成CuS相。(2) Sn-S體系中，在Sn-S薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中形成

4、的是SnS相，而沒有出現(xiàn)Sn2S3和SnS2相。(3) Zn-S體系中，Zn與S反應(yīng)生成的是ZnS。
　　三元體系主要是Cu-Sn-S體系，在Cu-Sn-S薄膜的制備過(guò)程中，形成的是Cu2SnS3相和Cu3SnS4相，而這兩相的形成，同襯底溫度和S壓有很大的關(guān)系。在Tsub=400℃時(shí)，當(dāng)S壓較高時(shí)，薄膜中主要是Cu2SnS3相，當(dāng)S壓較底時(shí)，薄膜中主要是Cu3SnS4相。在S壓充足的情況下，當(dāng)Tsub≤400℃時(shí)，薄膜中主要是C

5、u2SnS3相，當(dāng)Tsub≥450℃時(shí)，薄膜中主要是Cu3SnS4相。
　　通過(guò)Cu-Zn-Sn-S四元體系的研究最終確定了CZTS薄膜的反應(yīng)機(jī)理，在CZTS薄膜生長(zhǎng)的初期(Tsub=400℃)，首先生成應(yīng)該是ZnS，其次是生成SnS和CuS。但是SnS飽和蒸汽壓較大，不容易穩(wěn)定地在薄膜表面存在，它會(huì)直接與CuS和ZnS反應(yīng)地生成CZTS，或者迅速地與CuS反應(yīng)生成Cu2SnS3，然后再與ZnS反應(yīng)，最終生成CZTS。