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換效率。但是CIGS薄膜所含的銦是稀有元素，且銦會隨著儲量減少價格上升。
　　Cu2ZnSnS4(CZTS)和CIGS材料結構相似，且其具有組成元素Cu、Zn、Sn和S儲量豐富，無毒，價格低廉，帶隙可調(diào)，吸收系數(shù)高(約104cm-1)等特點，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薄膜還具有便于運輸、能彎曲、質(zhì)量輕的特點。但是迄今為止，對CZTS薄膜太陽能電池還缺少系統(tǒng)的研究，其實際轉換效率(約12％)與理論轉換效率(約32%)相差較大，且柔性CZTS薄膜的轉換效率更低。因此，還需進一步優(yōu)化制備工藝、提高薄膜質(zhì)量。
　　本論文采用在柔性金屬Mo襯底上磁控濺射Cu-Zn-Sn金屬預制層后續(xù)硫化法制備柔性CZTS薄膜。研究不同的Cu含量、預熱處理溫度對CZT

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

4、呈鋅黃錫礦(kesterite)結構，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光學帶隙增加。在Mo襯底上依次濺射Zn、Sn、Cu靶材對應濺射時間分別為92s、600s、220s，硫化溫度為500℃時，制備的CZTS薄膜質(zhì)量較好。其光學帶隙為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金屬預制層進行硫化熱處理，通過調(diào)節(jié)完全硫化前

5、的預熱處理溫度，研究制備CZTS薄膜硫化過程中最佳的預熱處理溫度。在完全硫化前經(jīng)過一段時間的預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)過預熱處理溫度比未預熱處理制備的CZTS薄膜質(zhì)量好。研究了不同預處理溫度的影響，當預處理溫度過低，各金屬元素合金化形成不明顯；當預處理溫度過高，容易生成其他雜相。當預處理溫度為150℃，保溫時間為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，對制備的薄膜樣品的表面形貌、組成成分和晶體結構進行分析?？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結構，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