太阳能电池材料Cu_2ZnGeS_4薄膜的制备与研究

【摘要】：Cu2ZnGeS4(CZGS)为Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4族四元半导体,是一种新型的薄膜太阳能电池吸收层材料,由于其具有较高的吸收系数,合适的禁带宽度,环境友好,所含元素产量丰富等特点,受到了业界广泛的关注。本论文采用磁控溅射后硫化法制备了Cu2ZnGeS4薄膜以及Cu2ZnGeS4薄膜太阳能电池器件,从Cu2ZnGeS4薄膜的性质入手进行分析,取得了以下结果：1.首次运用磁控溅射后硫化法制备得到Cu2ZnGeS4薄膜,实验结果表明使用该方法制备Cu2ZnGeS4薄膜是一种可行的途径。采用磁控溅射后硫化法制备Cu2ZnGeS4薄膜,根据XRD和拉曼分析可知,我们制备得到的Cu2ZnGeS4薄膜无杂相存在。经计算,样品晶格常数为a= 5.350 A, c= 10.520 A,由此可得结构因子的值为c/2a=0.983,小于1。造成c/2a偏离于1的原因是由于样品中存在残余应力,该应力通过Williamson-Hall (W-H)方法计算得到,约为2.64×10-3。其次,根据EDX的结果表明,我们制备的Cu2ZnGeS4薄膜为贫锌状态,这将会导致更多的内在结构性缺陷的存在,特别是CuZn替位缺陷,因此,其空间结构逐渐从I4转变为I42m,经计算本样品的结晶无序度为5.2×1014,该结晶无序度体现在了洛伦兹曲线拟合的拉曼图谱中355 cm-1峰的存在。我们的实验结果表明使用磁控溅射后硫化法制备Cu2ZnGeS4薄膜是一种可行的方法。2.系统地研究了Cu/(Zn+Ge)比例对于Cu2ZnGeS4薄膜微结构和光学性质的影响,实验表明铜含量的上升使得Cu2ZnGeS4薄膜的结晶度变好,其相应方块电阻减小,通过改变薄膜的铜含量可以微调薄膜禁带宽度。通过调节铜金属靶的溅射时间,制备得到不同铜含量的Cu2ZnGeS4薄膜,通过EDX测试发现Cu/(Zn+Ge)比例分别为0.93,1.00,1.05和1.13,依次增大。随着Cu/(Zn+Ge)比例从0.93上升到1.13, CZGS薄膜的光学禁带宽度从1.97 eV下降为1.80 eV。这是由于铜含量的增加导致Cu与S之间p-d轨道杂化强度的加强,更强的杂化强度将导致价带顶上升,从而导致禁带宽度变小。此外,铜含量的上升使得Cu2ZnGeS4薄膜的结晶度变好,其相应方块电阻减小。晶格常数(a和c)也表现出下降的趋势,导致(112)特征峰向高角度偏移。实验证明Cu/(Zn+Ge)比例对于Cu2ZnGeS4薄膜微结构和光学性质有着较大的影响,通过改变薄膜的铜含量可以微调薄膜禁带宽度。3.研究了Cu2ZnGeS4薄膜的生长过程,实验结果表明Cu2ZnGeS4薄膜是通过Cu2GeS3与ZnS反应合成的。通过改变后硫化的保温时间,制备得到一系列不同保温时间的薄膜,通过SEM形貌表征,EDX组分测试以及洛伦兹曲线拟合的拉曼图谱分析得到Cu2ZnGeS4薄膜的生长过程,其生长顺序为：Cu2-xS+GeS2→Cu2GeS3 Cu2GeS3+ZnS→Cu2ZnGeS4该实验结果表明Cu2ZnGeS4薄膜是通过Cu2GeS3与ZnS反应合成的,为后续研究Cu2ZnGeS4薄膜的生长以及制备高质量的薄膜提供了参考。4.制备以Cu2ZnGeS4薄膜为吸收层的太阳能电池,通过对其不断优化,使其光电转换效率提高了4倍,通过分析发现吸收层薄膜较薄,吸收层薄膜质量较差,耗尽区宽度偏大,漏电流大和短路电流小等原因限制了其光电转换效率。我们成功制备了Cu2ZnGeS4薄膜太阳能电池并表现出了光伏特性,并通过改变吸收层薄膜前驱体溅射顺序,微调组分等,使得光电转换效率从0.1%提升了至0.45%。其后,对制备的器件的转换效率不高的原因进行了分析,发现其吸收层薄膜较薄,吸收层薄膜质量较差,耗尽区宽度偏大,漏电流大和短路电流小等原因限制了其光电转换效率。 【关键词】：Cu_2ZnGeS_4 磁控溅射 薄膜太阳能电池 硫化
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 引言12
• 1.2 太阳能电池分类12-14
• 1.3 Cu_2ZnGeS_4薄膜材料概述14-16
• 1.3.1 Cu_2ZnGeS_4薄膜材料起源14-15
• 1.3.2 Cu_2ZnGeS_4薄膜研究现状15-16
• 1.4 论文主要研究内容及研究意义16-17
• 参考文献17-19
• 第二章 Cu_2ZnGeS_4薄膜制备及其表征19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 工艺流程简述19-24
• 2.3 Cu_2ZnGeS_4薄膜制备及其表征24-28
• 2.3.1 引言24
• 2.3.2 Cu_2ZnGeS_4薄膜组分及SEM表征24-25
• 2.3.3 Cu_2ZnGeS_4薄膜XRD分析25-26
• 2.3.4 Cu_2ZnGeS_4薄膜Raman图谱分析26-27
• 2.3.5 Cu_2ZnGeS_4薄膜光学性质研究27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 参考文献29-31
• 第三章 Cu_2ZnGeS_4薄膜性质的研究31-56
• 3.1 引言31
• 3.2 Cu_2ZnGeS_4薄膜与Cu_2ZnSnS_4薄膜结构性质比较31-36
• 3.2.1 Cu_2ZnGeS_4薄膜与Cu_2ZnSnS_4薄膜XRD对比分析31-32
• 3.2.2 Cu_2ZnGeS_4薄膜与Cu_2ZnSnS_4薄膜Raman图谱对比分析32-33
• 3.2.3 Cu_2ZnGeS_4薄膜与Cu_2ZnSnS_4薄膜透射光谱对比分析33-36
• 3.3 硫化温度对Cu_2ZnGeS_4薄膜结构及性能的影响36-39
• 3.3.1 硫化温度对Cu_2ZnGeS_4薄膜组分影响分析36-37
• 3.3.2 硫化温度对Cu_2ZnGeS_4薄膜微结构影响分析37-38
• 3.3.3 硫化温度对Cu_2ZnGeS_4薄膜形貌影响分析38-39
• 3.4 Cu含量对Cu_2ZnGeS_4薄膜结构及性能的影响39-44
• 3.4.1 不同铜含量的Cu_2ZnGeS_4薄膜组分及SEM表征39-40
• 3.4.2 不同铜含量的Cu_2ZnGeS_4薄膜XRD分析40-42
• 3.4.3 不同铜含量的Cu_2ZnGeS_4薄膜Raman图谱分析42-43
• 3.4.4 不同铜含量的Cu_2ZnGeS_4薄膜光学性质分析43-44
• 3.5 Cu_2ZnGeS_4薄膜生长过程研究44-51
• 3.5.1 不同硫化保温时间的Cu_2ZnGeS_4簿膜XRD分析44-46
• 3.5.2 不同硫化保温时间的Cu_2ZnGeS_4薄膜组分及表面形貌分析46-47
• 3.5.3 不同硫化保温时间的Cu_2ZnGeS_4薄膜Raman光谱分析47-51
• 3.6 本章小结51-53
• 参考文献53-56
• 第四章 Cu_2ZnGeS_4薄膜太阳能电池的制备及研究56-71
• 4.1 引言56
• 4.2 太阳能电池原理及基本特性56-59
• 4.2.1 太阳能电池器件工作原理56-57
• 4.2.2 太阳能电池等效模型及电流电压特性57-58
• 4.2.3 太阳能电池参数58-59
• 4.3 Cu_2ZnGeS_4薄膜太阳能电池器件制备59-61
• 4.4 Cu_2ZnGeS_4薄膜太阳能电池性能表征及优化61-68
• 4.5 本章小结68-69
• 参考文献69-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 总结71-72
• 5.2 展望72-73
• 附录Ⅰ 攻读硕士学位期间科研成果清单及奖励73-75
• 附录Ⅱ 致谢75

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