溶膠-凝膠法制備CZTS薄膜太陽電池及其光伏性能的研究.pdf

1、近幾年，銅銦鎵硒(CIGS)等化合物薄膜太陽電池由于可柔性化、易大面積生產(chǎn)且光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。但由于CIGS材料中的III族元素銦與鎵地球中儲量少、價(jià)格昂貴，限制其未來的大規(guī)模應(yīng)用。銅鋅錫硫(CZTS)材料用比較廉價(jià)且儲量豐富的鋅與錫元素替代銦與鎵，從而大大降低成本，更適用于大規(guī)模應(yīng)用。CZTS具有與太陽光譜相匹配的禁帶寬度(1.5 eV)和在可見光范圍內(nèi)超過104 cm-1的吸收系數(shù)，理論的光電轉(zhuǎn)換效率超過30％

2、，是一種良好的吸收層材料。CZTS薄膜的制備有基于真空與非真空的多種方法，但真空方法的制備成本較高，而由聯(lián)氨溶液法制備的CZTS電池獲得了目前的最高效率12.6%。
　　本研究采用一種低成本、高產(chǎn)出并且無毒環(huán)保的溶膠-凝膠法來制備高性能的CZTS薄膜，化學(xué)溶液法制備的氧化鋅納米線作為窗口層，納米粒子沉積法制備的硫化鎘作為緩沖層，制備了倒置結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜電池。垂直排列的納米陣列更有利于太陽電池中載流子的傳輸，從而大大降低電子空穴

3、對的復(fù)合、提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。并通過X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、紫外可見光吸收(Abs)、掃描電子顯微鏡(SEM)、IV測試等測試手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、純度、帶隙、形貌以及電池器件的光伏性能；同樣采用溶膠-凝膠的方法在襯底Mo上旋涂制備CZTS前驅(qū)體薄膜，并通過在硫的氣氛中退火得到高質(zhì)量結(jié)晶的CZTS薄膜，由于高溫下CZTS易分解而產(chǎn)生二次相硫化鋅（ZnS），為了去除CZTS薄膜表面的二次相ZnS，選用一定濃度的鹽

4、酸溶液進(jìn)行刻蝕處理。通過XRD、Raman、SEM、X射線熒光光譜分析儀(XRF)等測試手段表征了薄膜與器件的性能。使用溶膠-凝膠法制備CZTS吸收層，化學(xué)水溶液法制備ZnO納米線，納米粒子沉積法制備 CdS緩沖層，最終得到結(jié)構(gòu)為 FTO/ZnO NWs@CdS/CZTS/Ag的倒置結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜太陽電池，通過優(yōu)化CZTS吸收層的退火溫度，CdS緩沖層的厚度和氧化鋅的形貌等參數(shù)，最終得到轉(zhuǎn)換效率高達(dá)2.27%的倒置結(jié)構(gòu)CZTS薄膜太

5、陽電池。使用溶膠-凝膠法在Mo襯底上制備前驅(qū)體CZTS薄膜，在硫的氣氛中進(jìn)行退火以得到高質(zhì)量的結(jié)晶薄膜，在退火過程中施加一定的氣壓，抑制了錫元素的揮發(fā)并得到結(jié)晶性更好的薄膜；并且通過對不同退火溫度下制備的薄膜及電池器件進(jìn)行表征測試，隨著硫化溫度的升高薄膜結(jié)晶質(zhì)量在增加，晶粒尺寸變大，提高了CZTS薄膜太陽電池的開路電壓與短路電流，所制備的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率隨著硫化溫度的升高先增加后降低，在溫度為580℃時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值2.74%