Cu2ZnSnS4薄膜及其太陽電池的濺射法制備和性能研究.pdf

1、太陽能來源豐富，可以滿足全世界的能源需求，被認為是最具有前景的可再生能源。目前，a-Si，CdTe和CuInxGa1-xSe2(CIGS)薄膜太陽電池已經(jīng)商品化。其中CIGS電池效率最高，CIGS電池效率已經(jīng)接近多晶硅電池效率并對其市場構(gòu)成了一定的競爭。然而，不得不承認的是CIGS薄膜太陽電池將面臨很多困難，其中之一就是其組成元素In是一種稀有元素且將在未來10～20年內(nèi)逐漸減少，同時In的價格則早已顯著提升。
　　Cu2ZnSn

2、S4(CZTS)和高度成熟的CIGS和CuInS3材料類似，是薄膜光伏器件領(lǐng)域極富前景的競爭者。CZTS電池因為其組成元素儲量豐富價格低廉，具有降低未來電池商業(yè)成本的潛在能力。
　　在制備和研究CZTS薄膜及其電池之前，本文首先研究了SnS薄膜的硫化法制備工藝。硫化法制備SnS薄膜的過程通過二步過程完成，這個過程包括:首先用濺射法制備金屬Sn預(yù)制層，然后將金屬預(yù)制層在硫氣氛中進行加熱硫化。實驗中得到的高質(zhì)量的制備態(tài)的SnS薄膜表明

3、本論文實驗中選擇的硫化法工藝非常適合制備硫化物光伏薄膜。SnS薄膜的硫化法制備工藝和研究方法為后續(xù)硫化法制備CZTS薄膜提供了極為實用的研究基礎(chǔ)和借鑒。
　　在二步法制備SnS薄膜及其研究基礎(chǔ)之上，本文運用了二步法同樣成功制備了CZTS薄膜。二步法制備CZTS薄膜的過程為:首先濺射法制備了Cu, Zn和Sn金屬預(yù)制層，然后在充有硫氣氛的加熱爐中通過加熱方式進行硫化。
　　CZTS薄膜的硫化反應(yīng)、形貌、元素比例、光學、電學以及

4、光響應(yīng)電流性能與CZTS薄膜的硫化溫度、硫化時間和金屬預(yù)制層中各單層的排列順序之間的關(guān)系通過XRD、Raman光譜、SEM、EDS、UV-VIS-IR分光光度計和Keithely2400數(shù)字源表等手段和儀器進行了一系列的研究。研究發(fā)現(xiàn)最佳硫化溫度為500℃，最佳硫化時間為2h，而最佳金屬預(yù)制層中各單層的排列順序為glass/Zn/Sn/Cu。制各的CZTS薄膜表面致密均勻，元素比例非常接近標準化學計量比。
　　CZTS薄膜具有明顯

5、的光響應(yīng)電流和持續(xù)光電導現(xiàn)象。本文首次研究了外加電壓對CZTS薄膜光電流衰減時間以及光電流的瞬態(tài)躍遷和陡然下降過程持續(xù)時間的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CZTS薄膜光生電流的衰減時間隨著外加電壓從1V下降到1×10-4V的過程中由378s下降到0.341s。在較低的外加電壓下即較低的電場強度下，光照時光生電流的瞬態(tài)躍遷和在關(guān)閉光照時電流的陡然下降過程明顯。同時，外加電壓和CZTS薄膜光電流的衰減時間之間的關(guān)系可以通過e指數(shù)函數(shù)來表示。
　　本文

6、運用化學浴的方法成功制備了用于CZTS太陽電池發(fā)射極的CdS和ZnS薄膜。CdS和ZnS薄膜的性能通過XRD、SEM、紫外-可見-近紅外分光光度計等手段進行了一系列的研究。測試發(fā)現(xiàn)制各態(tài)的CdS和ZnS薄膜表面致密，且薄膜中元素比例都接近標準化學計量比。CdS和ZnS的光學帶隙值為2.5和3.9eV。制備態(tài)的CZTS/CdS和CZTS/ZnS異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池都具有明顯的光伏性能。
　　本文首次制備了無Cd的完全無毒的新型環(huán)保型S

7、nS/a-Si和CZTS/a-Si異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池。SnS/a-Si和CZTS/a-Si異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池都具有明顯的光伏性能。SnS/a-Si異質(zhì)結(jié)薄膜太陽電池的開路電壓，短路電流密度，填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率分別為289mV,1.55mA/cm2，38％和0.17％。同時研究了本征非晶硅薄膜即i-a-Si對CZTS/a-Si薄膜太陽電池的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)本征非晶硅薄膜即i-a-Si能夠明顯提升CZTS/a-Si薄膜太陽電池的光伏性能。