無銦硫族化合物光電材料的制備及結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、光伏行業(yè)的快速發(fā)展使得太陽能電池用光伏半導(dǎo)體材料的制備成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。硫族化物因具有優(yōu)良的光電性能成為最佳的太陽能電池材料，如銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4)、銅鋅錫硒(Cu2ZnSnSe4)是薄膜太陽能電池良好的吸收層材料，鋅的硫族化合物如ZnS/ZnSe是優(yōu)良的緩沖層材料，錫、銅等的硫族化合物(SnS、SnSe、SnSe2、CuS、CuSe、Cu2-xSe)在光伏領(lǐng)域也具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文用水熱-化學(xué)共還原法和旋涂-化學(xué)共

2、還原法制備了其中幾種化合物的粉末、薄膜材料。
　　 水熱-化學(xué)共還原法工藝簡(jiǎn)單、操作方便易于制備結(jié)晶度高，形狀、尺寸均勻的納米粉末。旋涂-化學(xué)共還原法不需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，適于大面積制備高性能光電薄膜。兩種方法的反應(yīng)機(jī)理相同，但工藝過程相差較大。旋涂-化學(xué)共還原法制備化合物薄膜為本文的主要內(nèi)容，此方法包括清洗基底，制備前驅(qū)體溶液，旋涂、烘干，加熱反應(yīng)，冷卻等步驟。文中利用X射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FES

3、EM)、掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)粉末和薄膜的相組成及形貌進(jìn)行了表征，并分析了各種實(shí)驗(yàn)因素對(duì)粉末、化合物的結(jié)晶、成相及形貌的影響。
　　 本論文的內(nèi)容包括:
　　 一、為了探索化學(xué)共還原法制各硫族化合物的可行性。首先用水熱-化學(xué)共還原法制備出Cu2ZnSnSe4、Cu2ZnSnS4、ZnS、ZnSe四種粉末材料，主要研究了反應(yīng)時(shí)間、溫度對(duì)化合物的成相、結(jié)晶及粉末形貌的影響。結(jié)果表明溫度的升高、時(shí)間的延長有利于化合物結(jié)晶、

4、成相，200℃為制備納米粉末的最佳溫度。CZTSe粉末為單相的結(jié)晶良好的納米片，徑向尺寸約150～200nm，厚度約30nm，反應(yīng)條件不同納米片的形狀不同，有四邊形、六邊形、圓形等;結(jié)晶良好的純相ZnSe粉末為20～50nm的顆?；?0～100nm的塊狀，根據(jù)反應(yīng)時(shí)間、溫度的不同，ZnSe粉末的形貌相差較大，有顆粒狀、塊狀、層片狀等;Cu2ZnSnS4、ZnS粉末的結(jié)晶度也都很高。
　　 二、為尋找制備Cu2ZnSnSe4薄膜的

5、工藝參數(shù)，用旋涂-化學(xué)共還原法在相近的反應(yīng)條件下制得了結(jié)晶、成相良好的幾種二元硫族化合物薄膜材料如SnSe2、SnSe、Cu2Se、CuSe、ZnSe。研究了反應(yīng)時(shí)間(10～60h)、溫度(120～200℃)、溶劑、襯底（鈉鈣玻璃、硅片）、原料比等對(duì)化合物的成相、結(jié)晶及薄膜形貌的影響，并解釋了各種產(chǎn)物的生成條件及合成機(jī)理。結(jié)果表明升高反應(yīng)溫度，延長反應(yīng)時(shí)間有利于化合物的結(jié)晶。200℃反應(yīng)20h制備的SnSe2、SnSe、Cu2Se薄膜分

6、別沿(001)、(004)、(111)面擇優(yōu)生長，CuSe薄膜沿(006)面定向生長。
　　 三、利用旋涂-化學(xué)共還原法在200℃制備出單相的結(jié)晶良好的Cu2ZnSnSe4薄膜，這是關(guān)于旋涂-共還原法制備四元硫族化合物的首次報(bào)道。研究表明延長反應(yīng)時(shí)間，升高反應(yīng)溫度，增多反應(yīng)次數(shù)，有利于產(chǎn)物的結(jié)晶;改變加熱方式對(duì)化合物結(jié)晶、成相的影響不大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)推斷合成CZTSe的化學(xué)機(jī)理為:金屬離子M2+和Se4+容易被還原劑還原生成單質(zhì)，結(jié)