磁控濺射制備柔性金屬襯底CZTS薄膜的特性研究.pdf

1、目前，化合物類GaAs、CdTe和CuInxGa1-xSe2(CIGS)太陽能電池已經(jīng)用于商業(yè)化，其中CIGS太陽能電池的效率最高，已經(jīng)接近多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。但是CIGS薄膜所含的銦是稀有元素，且銦會(huì)隨著儲(chǔ)量減少價(jià)格上升。
　　Cu2ZnSnS4(CZTS)和CIGS材料結(jié)構(gòu)相似，且其具有組成元素Cu、Zn、Sn和S儲(chǔ)量豐富，無毒，價(jià)格低廉，帶隙可調(diào)，吸收系數(shù)高(約104cm-1)等特點(diǎn)，使CZTS薄膜成為最有潛力的太陽

2、能電池吸收層材料之一。其中，在柔性襯底上制備的CZTS薄膜還具有便于運(yùn)輸、能彎曲、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。但是迄今為止，對(duì)CZTS薄膜太陽能電池還缺少系統(tǒng)的研究，其實(shí)際轉(zhuǎn)換效率(約12％)與理論轉(zhuǎn)換效率(約32%)相差較大，且柔性CZTS薄膜的轉(zhuǎn)換效率更低。因此，還需進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝、提高薄膜質(zhì)量。
　　本論文采用在柔性金屬M(fèi)o襯底上磁控濺射Cu-Zn-Sn金屬預(yù)制層后續(xù)硫化法制備柔性CZTS薄膜。研究不同的Cu含量、預(yù)熱處理溫度對(duì)CZT

3、S薄膜的組成成分、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的影響。且初步研究了不同柔性金屬襯底對(duì)CZTS薄膜的影響。論文得到以下研究結(jié)果：
　　通過調(diào)節(jié)Cu靶材的濺射時(shí)間，研究不同Cu含量對(duì)柔性CZTS薄膜的影響。隨著Cu濺射時(shí)間的增加，CZTS薄膜中Cu元素含量明顯上升。適當(dāng)?shù)脑黾覥u含量有利于得到具有單一相且結(jié)晶度好的CZTS薄膜，但繼續(xù)增加Cu含量，使得Cu/(Zn+Sn)的值接近1時(shí)，CZTS薄膜中會(huì)出現(xiàn)含Cu的二級(jí)相。所有薄膜樣品都

4、呈鋅黃錫礦(kesterite)結(jié)構(gòu)，且沿著(112)晶面擇優(yōu)生長。隨著Cu含量的增加，在一定程度上使得CZTS光學(xué)帶隙增加。在Mo襯底上依次濺射Zn、Sn、Cu靶材對(duì)應(yīng)濺射時(shí)間分別為92s、600s、220s，硫化溫度為500℃時(shí)，制備的CZTS薄膜質(zhì)量較好。其光學(xué)帶隙為1.55 eV，吸收系數(shù)在104cm-1以上，薄膜與Mo襯底附著力好，表面致密均勻。
　　利用將優(yōu)化工藝制得的CZT金屬預(yù)制層進(jìn)行硫化熱處理，通過調(diào)節(jié)完全硫化前

5、的預(yù)熱處理溫度，研究制備CZTS薄膜硫化過程中最佳的預(yù)熱處理溫度。在完全硫化前經(jīng)過一段時(shí)間的預(yù)熱處理有利于金屬間形成合金化合物，能夠在一定程度上減少硫化熱處理過程中的Sn元素的流失，使得薄膜的表面平整、致密、分布均勻，且顆粒較大?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過預(yù)熱處理溫度比未預(yù)熱處理制備的CZTS薄膜質(zhì)量好。研究了不同預(yù)處理溫度的影響，當(dāng)預(yù)處理溫度過低，各金屬元素合金化形成不明顯；當(dāng)預(yù)處理溫度過高，容易生成其他雜相。當(dāng)預(yù)處理溫度為150℃，保溫時(shí)間為5

6、min，制備出質(zhì)量較好的CZTS薄膜。
　　在不同柔性金屬襯底上制備CZTS薄膜，對(duì)制備的薄膜樣品的表面形貌、組成成分和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？梢缘玫?，在Ti襯底上制備的CZTS薄膜含有Sn2S3相，薄膜表面不平整。在Mo和Al襯底上的CZTS薄膜不含其他雜相，且在Mo襯底上的薄膜具有良好的致密性，顆粒較大，與襯底附著力良好。而不銹鋼襯底上的薄膜為Cu2SnS3結(jié)構(gòu)，且與襯底附著力差。研究了三種柔性金屬襯底Mo、Al和Ti與CZTS薄