Cu2ZnSnSe4薄膜太陽能電池的磁控濺射制備工藝和性能研究.pdf

1、近年來全球氣候的異常、環(huán)境污染以及霧霾等惡劣的環(huán)境現(xiàn)象都與大量消耗化石能源相關(guān)。光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源而在近幾十年被給予了相當(dāng)?shù)闹匾?，并且取得了長足的發(fā)展。但是光伏發(fā)電目前仍然面臨著光伏器件的轉(zhuǎn)換效率和成本之間競爭關(guān)系這一巨大挑戰(zhàn)。相比于傳統(tǒng)硅基光伏器件，薄膜太陽能電池具有原料利用率高、制造工藝簡單以及理論轉(zhuǎn)換效率優(yōu)秀等更為突出的特點(diǎn)。在以銅銦鎵硒(CIGS)化合物半導(dǎo)體為吸收層的薄膜太陽能電池生產(chǎn)中，銦元素由于儲量稀少并

2、且多數(shù)用于平板行業(yè)而被限制了其工業(yè)化進(jìn)程。因此采用鋅和錫作為銦的替代材料，進(jìn)而發(fā)展出了以銅鋅錫硒(CZTSe)為吸收層的薄膜太陽能電池，以期望從原料選擇上降低薄膜光伏器件的成本。
　　雖然CZTSe薄膜太陽能電池在近些年取得了較為突出的成果，但是其中仍舊存在著例如CZTSe四元組分難以精確控制、易生成雜相以及本征缺陷較多等影響電池器件轉(zhuǎn)換效率的問題。針對上述問題，本論文采用磁控濺射制備金屬預(yù)制層后硒化這種被普遍運(yùn)用于薄膜半導(dǎo)體工業(yè)

3、制備的技術(shù)方法，對CZTSe薄膜的制備工藝及其結(jié)構(gòu)形貌、光電特性和電池性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，獲得如下主要研究結(jié)果:
　　系統(tǒng)研究了Cu/Zn/Sn金屬預(yù)制層濺射順序?qū)ZTSe薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分以及電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)預(yù)制層濺射順序的不同對薄膜的性能有顯著影響，采用Cu/Zn+Sn的疊層順序，并且Cu∶(Zn+Sn)和Zn∶ Sn比例分別控制在0.8-1.0和1.1-1.3范圍內(nèi)制備的CZTSe薄膜，其結(jié)構(gòu)形貌、光學(xué)帶隙、

4、載流子濃度、空穴遷移率等性能相對較好。用其制作的太陽能電池器件效率也相對較高，達(dá)到2.12％。
　　針對CZTSe薄膜在硒化過程中容易產(chǎn)生雜相的問題，論文深入研究了薄膜的硒化反應(yīng)機(jī)理。通過改變硒化退火溫度，確定了SnSe、SnSe2、 Cu2-xSe、Cu2Se以及Cu2SnSe3等雜相的易生成溫區(qū)。為有效抑制雜相的生成，探索優(yōu)化了快速退火方法，使得CZTSe薄膜的單相性和結(jié)晶質(zhì)量得到顯著改善。X射線衍射圖譜中無雜相的特征峰，CZ

5、TSe特征峰的半高寬變窄。電池器件的效率得到明顯提升，達(dá)到了3.43％。
　　為了進(jìn)一步提高CZTSe薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，研究了鈉(Na)元素在CZTSe多晶薄膜生長過程中的促進(jìn)作用。通過在金屬預(yù)制層與Mo電極之間沉積適量的NaF，經(jīng)硒化退火后得到的CZTSe薄膜結(jié)晶質(zhì)量明顯高于不加NaF的樣品，晶粒尺寸由不摻NaF時的500nm左右增大到1μ m以上。同時薄膜的光電性能也得到改善，相應(yīng)的電池效率增加到4.33％。
　　高溫硒化

6、過程通常會在CZTSe和Mo背電極之間產(chǎn)生高電阻的MoSe2層，從而增加電池器件的串聯(lián)電阻，降低電池器件的填充因子，影響電池效率。論文通過在Mo表面旋涂適當(dāng)厚度的銅鋅錫硫(CZTS)納米顆粒阻擋層的方法減少Se元素在硒化退火過程中的擴(kuò)散，從而有效阻止MoSe2的生成，降低電池器件的串聯(lián)電阻，使得電池效率增加到5.05％。
　　由于CZTSe薄膜為四元化合物，在相圖中的成相區(qū)域較小，從而導(dǎo)致了其制備條件較為苛刻。因此本論文還初步研究