銅鋅錫硫系薄膜材料的制備與太陽(yáng)能電池性能模擬的研究.pdf

1、基于銅銦硫(CIS)發(fā)展起來(lái)的銅鋅錫硫系半導(dǎo)體薄膜[包含 Cu2ZnSnS4(CZTS)、Cu2ZnSnSe4(CZTSe)和 Cu2ZnSn(SSe)4(CZTSSe)]，屬于I2-II-IV-VI4族元素組成的直接帶隙p型半導(dǎo)體。其組成元素Cu、Zn和Sn元素地球含量豐富、環(huán)境友好，光電性質(zhì)與CIS材料類似，光吸收系數(shù)>104cm–1，因此是一種前景非常廣闊的光電材料。目前已經(jīng)發(fā)展出多種真空方法和非真空方法制備CZTS薄膜光伏電池，

2、并且取得較高的轉(zhuǎn)換效率。本論文主要研究了CZTSe、CZTS和CZTSSe薄膜的制備工藝，探究CZTS薄膜性質(zhì)對(duì)光伏電池輸出特性的影響。
　　基于磁控濺射法制備 CZTSe薄膜，研究了硒化工藝，即硒化壓強(qiáng)、硒粉層厚度和硒源種類對(duì)CZTSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、薄膜元素比例和電學(xué)參數(shù)的影響。首先采用磁控濺射法在鈉鈣玻璃基底上沉積Cu/Zn/Sn金屬前驅(qū)層(CZT)薄膜，薄膜表面平整、致密性良好，并且生成Cu6Sn5和Cu5Zn8

3、合金，說(shuō)明Zn和Sn元素更容易與Cu元素反應(yīng)。然后將沉積有硒粉層的CZT&Se薄膜置于管式爐中硒化，分別探究硒化壓強(qiáng)、硒粉層厚度以及硒源種類對(duì) CZTSe薄膜性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)增大硒化壓強(qiáng)和硒粉層厚度均可以減少 Sn元素?fù)p失和二元硫化物生成，提高薄膜結(jié)晶性和改善表面形貌。由于CZT層和Se粉層的熱力學(xué)性質(zhì)不同以及Sn元素?fù)p失，CZTSe薄膜表面存在許多二元硫化物顆粒物。通過(guò)改變硒源種類，采用硒蒸汽作為硒源進(jìn)行反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)薄膜表面顆粒物基

4、本消失，表面形貌和結(jié)晶性得到改善，薄膜載流子遷移率也首次超過(guò)1 cm2V–1s–1。
　　以Cu2O、SnO和ZnS粉末為原材料，研究了球磨法制備CZTS和CZTSSe薄膜的制備工藝。首先采用濕法球磨法將金屬氧化物/硫化物粉末進(jìn)行研磨形成微納米顆粒，然后通過(guò)刀刮法沉積到玻璃基底上，最后將干燥后的薄膜送至管式爐中硫化。在550 ℃條件下，H2/N2載S蒸汽可以將氧化物/硫化物薄膜硫化，生成CZTS薄膜材料。XRD衍射峰分析，CZTS

5、特征衍射峰較強(qiáng)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二元硫化物雜相。但是薄膜并沒(méi)有完全被硫化，仍存在少量的Cu2O成分，這是由于表面銅硫化合物層阻礙了硫化的進(jìn)行。將CZTS薄膜置于管式爐硒化后發(fā)現(xiàn)，80％的S原子被Se原子替換。CZTSSe薄膜的晶粒尺寸>2μm，元素比例接近標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比。
　　使用SCAPS-1D軟件建立了CZTS薄膜光伏電池結(jié)構(gòu)模型，探究了CZTS薄膜厚度、載流子濃度和禁帶寬度對(duì)電池輸出特性影響，加深對(duì)CZTS電池工作原理的全面理解。研

6、究發(fā)現(xiàn)增加薄膜厚度可以提高電池效率，但是過(guò)厚的薄膜(>5μm)對(duì)提高轉(zhuǎn)換效率不明顯。增加薄膜載流子濃度有利于增大開路電壓 Voc，但會(huì)減小電池的短路電流Jsc。所以要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)電池的開路電壓Voc和短路電流Jsc做出權(quán)衡。CZTSSe禁帶寬度隨Se/(Se+S)比值近似線性變化。增加薄膜中Se元素比例可以提高CZTSSe光吸收系數(shù)，特別是中長(zhǎng)波階段的光吸收系數(shù)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率。模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Se/(Se+S)=0.3時(shí)