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。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?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。在以銅銦鎵硒(CIGS)化合物半導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)化進程。因此采用鋅和錫作為銦的替代材料，進而發(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制層后硒化這種被普遍運用于薄膜半導體工業(yè)

3、制備的技術方法，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金屬預制層濺射順序?qū)ZTSe薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分以及電學性能的影響。發(fā)現(xiàn)預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機理。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，達到了3.43％。
　　為了進一步提高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作用。通過在金屬預制層與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，從而導致了其制備條件較為苛刻。因此本論文還初步研究