銅鋅錫硫薄膜太陽能電池吸收層的制備與性能研究.pdf

1、銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4，簡稱CZTS)薄膜吸收系數(shù)高，禁帶寬度為1.5eV，處于單結(jié)太陽能電池的理想帶隙值，成本低且不含有毒元素，是理想的薄膜太陽能電池吸收層材料。因此開展CZTS薄膜材料和CZTS薄膜太陽能電池的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。
　　磁控濺射法具有可控性強(qiáng)，重復(fù)性好，制備薄膜均勻致密等優(yōu)點(diǎn)，適合制備CZT金屬預(yù)制膜。固態(tài)硫化CZT金屬預(yù)制膜，對設(shè)備損傷和環(huán)境污染少，安全環(huán)保，是環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。因此本

2、文采用磁控濺射制備的銅錫鋅(CZT)金屬預(yù)制膜，然后固態(tài)硫化預(yù)制膜制備CZTS薄膜。采用X射線衍射儀(XRD)、紫外拉曼光譜儀(Raman)、X射線能譜儀(EDS)、掃描電鏡(SEM)和紫外-可見分光光度計(jì)(UV-vis)分別對薄膜的物相結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、表面形貌和透射率進(jìn)行表征。研究了CZT金屬預(yù)制膜中金屬含量及硫化工藝對CZTS薄膜的成分、組織結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響規(guī)律，分析了固態(tài)硫化法制備CZTS薄膜的的機(jī)理，并初步制備了CZTS薄膜

3、太陽能電池，研究結(jié)果如下:
　　1)在鈉鈣玻璃上制備的CZT金屬預(yù)制膜中Zn和Sn的含量對CZTS薄膜的性能影響較大。Zn含量增加，可有效降低Cu的含量，有利于抑制CuxS的生成。預(yù)制膜Zn/Sn比在0.21～0.36范圍內(nèi)，制備的CZTS薄膜晶粒大小隨Zn的含量的增加變大，結(jié)晶程度提高。金屬預(yù)制膜中的Sn含量增加至Cu/(Zn+Sn)=0.3，Zn/Sn=0.24左右，可有效提高CZTS薄膜的結(jié)晶度，使薄膜更均勻致密。而CZTS

4、膜中出現(xiàn)Sn2S3等雜相時，降低薄膜的質(zhì)量，會引起薄膜的光學(xué)帶隙顯著變小。
　　2)將在鈉鈣玻璃上Zn、Sn、Cu金屬層沉積時間分別為92s、2173s和221s獲得的CZT金屬預(yù)制膜，在500℃下、N2氣氛中固態(tài)硫化20min后，可制得單相鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS。制備的CZTS薄膜化學(xué)成分貧Cu富Zn，接近CZTS薄膜性能最優(yōu)比，薄膜表面均勻平整，結(jié)晶度較好，光吸收系數(shù)達(dá)104cm-1，光學(xué)帶隙為1.52eV。
　　3)在

5、鍍Mo鈉鈣玻璃上沉積的CZT金屬預(yù)制膜，硫化溫度對形成CZTS薄膜有重要的影響。固態(tài)硫化20min后，在400～450℃硫化時，薄膜可形成CZTS相，但含有雜質(zhì)Cu2SnS3、Cu2S、CuS和Sn2S3，且薄膜表面不平整，孔隙較多。在硫化溫度為500℃時，可形成單相鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS，薄膜表面晶粒分布均勻，緊密排列。當(dāng)硫化溫度為550℃時，生成的CZTS薄膜與Mo的結(jié)合力差，容易脫落。
　　4)硫化時間對制備CZTS薄膜的穩(wěn)

6、定性影響較大。在500℃時，隨著硫化時間增加，薄膜的Cu和Sn含量增加，Zn的含量顯著減少。500℃下CZTS存在著分解，硫化時間增長會促進(jìn)CZTS分解形成SnS，導(dǎo)致薄膜疏松，表面容易隆起，同時引起裝置內(nèi)的氣壓升高，Zn的流失加重。硫化時間過長，CZTS薄膜中會出現(xiàn)Cu2SnS3、Sn2S3等雜質(zhì)，造成薄膜的光學(xué)帶隙變小。在500℃下硫化20min獲得質(zhì)量良好的單相CZTS薄膜。
　　5)硫化后的薄膜再進(jìn)行低溫退火處理，能有效優(yōu)