單質(zhì)溶液法制備CZTSSe薄膜太陽能電池及其性能改進(jìn).pdf

1、Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)半導(dǎo)體由于其具有高光吸收系數(shù)、穩(wěn)定性好、帶隙可調(diào)、元素儲量豐富的特點(diǎn)，受到了人們的廣泛關(guān)注。目前用以組裝太陽能電池已實(shí)現(xiàn)12.6％的光電轉(zhuǎn)換效率。CZTSSe薄膜太陽能電池的制備方法主要包括真空法與非真空法，其中真空法包括：熱蒸法、磁控濺射法，非真空法包括：分子前驅(qū)體溶液法、納米晶溶液法、電沉積法等。但是真空法由于設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，不利于工業(yè)生產(chǎn)。而在非真空法中，分子前驅(qū)體溶液法由于其

2、操作簡單、設(shè)備低廉等特點(diǎn)而受到了人們的廣泛關(guān)注。目前，CZTSSe薄膜太陽能電池的最高效率12.6%就是由Mitzi課題組用肼作溶劑溶解金屬硫化物、硒化物而制得的。但是，由于其采用了肼這種易燃易爆、劇毒的危險溶劑，這將對工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究帶來阻礙。因此，我們需要采用一種綠色安全的溶劑來制備CZTSSe薄膜太陽能電池。
　　目前，不少課題組運(yùn)用綠色安全的溶劑溶解金屬氯化物、氧化物來制備CZTSSe薄膜太陽能電池。但是，采用金屬氯化物

3、、金屬氧化物為原料，這將在體系中引入Cl、O雜原子。而這些雜原子的引入，將對太陽能電池造成不利的影響。而理想的原料為金屬單質(zhì)、金屬硫化物以及金屬硒化物，但是目前所使用的溶劑中，除了肼溶劑以外，幾乎沒有一種可以溶解這三類物質(zhì)。而我們采用的乙二胺與乙二硫醇純?nèi)軇┛梢院芎玫慕鉀Q這個問題，它不僅可以溶解金屬硫化物、金屬硒化物，而且還可以溶解金屬單質(zhì)。因此，為了解決雜原子的問題，我們采用了乙二胺和乙二硫醇為溶劑，溶解金屬單質(zhì)，制備CZTSSe薄膜

4、太陽能電池。本論文的工作分為以下三個部分：
　　1. CZTSSe薄膜太陽能電池的制備：通過對乙二胺與乙二硫醇溶解性的探索，我們成功的溶解了單質(zhì) Cu、Zn、Sn、Se，并將所制備的溶液進(jìn)行旋涂制膜、預(yù)加熱處理，制備出了CZTSSe前驅(qū)體薄膜。通過對薄膜制備環(huán)境、硒化方式、膜厚等條件的探索，我們成功的制備了結(jié)晶性良好的CZTSSe薄膜。將硒化后的薄膜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)CZTSSe薄膜太陽能電池器件組裝流程進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)了3.26%的光電轉(zhuǎn)換

5、效率。
　　2. CZTSSe薄膜太陽能電池開路電壓(VOC)和填充因子(FF)的改善：由于我們在所配制的前驅(qū)體溶液中加入了過多的硒粉，而過多硒的存在將會導(dǎo)致CZTSSe薄膜帶隙值過低以及其致密性的降低。而帶隙的降低必然使得其電池的VOC降低。薄膜中存在的孔洞又會使得載流子的傳輸受到阻礙，從而造成電池串聯(lián)電阻(Rs)增大。而Rs的增大又會造成FF的下降。因此，我們設(shè)計用S替代部分Se，增加其薄膜的帶隙值、減少薄膜中孔洞的存在，從而

6、提高其VOC，減小電池的Rs，增加FF。最終在硫含量為90%時實(shí)現(xiàn)了最高光電轉(zhuǎn)換效率6.57%。
　　3. CZTSSe薄膜太陽能電池二次相的減少：CZTSSe薄膜的制備需要經(jīng)過一個高溫硒化過程，在此過程中，薄膜中的Sn元素將會大量損失。而 Sn元素的損失將會使得Cu、Zn元素相對增加。一般而言，過多的Cu、Zn元素容易在薄膜中形成CuSe、ZnSe二次相。通過XRD與Raman譜圖分析發(fā)現(xiàn)我們所制備的CZTSSe薄膜中存在CuS