Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池的制备和研究

【摘要】：由于具有与太阳光谱十分匹配的禁带宽度(约为1.5eV)和较高的可见光吸收系数(可见光区域超过104cm-1),锌黄锡矿结构的四元化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)成为一类非常具有发展前途的太阳能吸收材料。作为一种直接带隙的p型半导体材料,CZTS所含的Zn和Sn是大自然蕴藏较丰富元素,在地壳中的蕴含量分别达到75ppm和2.2ppm。与同类型的太阳能吸收材料CIGS和CuInS2相比,CZTS不含毒性成分、对环境友好且制备方法简单,它采用资源丰富的Zn、Sn来替代稀有元素In、Ga,作为吸光材料,在大规模生产与商业化应用中具有极好的产业化前景。 CZTS薄膜太阳能电池的主要作用部分是p-n结,由p型半导体CZTS薄膜与n型半导体ZnO构成,然而CZTS与ZnO的晶格匹配不佳,如果直接接触形成p-n结会影响太阳能电池的输出效率,所以需要在吸收层和窗口层之间引入缓冲层CdS薄膜,它在低带隙的CZTS层与高带隙的ZnO层直接形成过渡层,减小了两者之间的带隙台阶和品格失配问题。此外,CZTS是多元化合物,常会因为原子配比和晶格失配造成结构上的缺陷,影响了该类太阳能电池的光电转换效率。因此CZTS薄膜太阳能电池的效率目前低于同类型的CuInS2和CIGS电池。 本论文主要研究了Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池的背电极Mo、吸收层CZTS薄膜以及缓冲层CdS薄膜的制备工艺。首先使用直流溅射的方法在玻璃衬底上沉积了背电极Mo；然后采用溶胶凝胶的方法制备了CZTS纳米晶,旋涂成膜后在N2的保护下进行硫化热处理；再采用一种新的电化学沉积方法在碱性条件下制备了CdS缓冲层薄膜。最后通过磁控溅射制备了窗口层ZnO/AZO薄膜,并热蒸镀了顶电极Al。实验中我们用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、EDS能谱仪和紫外可见分光光度计等仪器对所制备的电极和薄膜的晶体结构、表面和截面形貌、元素质量比以及光学特性进行了表征和测试。得到了以下的研究结果： (1)采用磁控溅射法制备的双层Mo电极,第一层与衬底附着力好,第二层结晶性良好并且呈栅栏状紧密并排。 (2)通过sol-gel旋涂制备的CZTS薄膜,控制前驱物中Cu/(Zn+Sn)之比0.8,经过300℃烘烤成膜并高温退火处理后,其表面连续平整、结构均匀致密,厚度控制在1-2μm;通过XRD图谱我们发现CZTS薄膜呈(112)面择优取向生长,经过1个小时500℃高温退火后,其XRD图谱中可观察到锌黄锡矿结构CZTS的特征衍射峰；通过光吸收发现CZTS薄膜在可见光区域有超过104cm-1的光吸收系数,其禁带宽度为1.5eV,证实我们制备的CZTS薄膜具有优良的太阳能吸收性能。实验中探究了不同的合成温度以及不同的前驱物Cu/(Zn+Sn)比例对CZTS薄膜物相、形貌和光学特性的影响。 (3)采用CdSO4、Na2S2O3,配以NTA调节溶液pH值,首次在碱性环境中电沉积制备CdS薄膜,并将该方法应用到CZTS薄膜太阳能电池中制备缓冲层。实验结果表明在pH值为9.36、Cd2+浓度为0.025mol/L、沉积电位为-1.7V时,可以制备出表面均匀致密、近化学计量原子比、禁带宽度为2.4eV的CdS薄膜。将其沉积在CZTS薄膜上,测得CZTS/CdS的I-V曲线呈整流效应,说明该方法制备的CdS可应用于CZTS薄膜太阳能电池。 (4)采用上述研究的实验方法结合传统工艺制备了CZTS薄膜太阳能电池器件,测试得到电池的效率为0.12%,分析CZTS薄膜太阳能电池器件性能的损失机制可知,电池的各层薄膜之间的界面接触出现了问题,需要进行改善。 【关键词】：溶胶凝胶法 电化学沉积 磁控溅射 Cu_2ZnSnS_4薄膜 CdS薄膜 Mo电极
【学位授予单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 太阳能电池的原理13-15
• 1.2.1 p型半导体、n型半导体以及pn结13-14
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理14-15
• 1.3 薄膜太阳能电池15-18
• 1.3.1 基本结构16-17
• 1.3.2 吸收层材料17-18
• 1.4 Cu_2ZnSnS_4薄膜18-22
• 1.4.1 Cu_2ZnSnS_4薄膜的特性18-20
• 1.4.2 Cu_2ZnSnS_4薄膜的制备方法20-22
• 1.5 本课题研究思路22-24
• 1.5.1 论文的研究内容22
• 1.5.2 本论文的研究方法22-23
• 1.5.3 论文的研究目的及意义23-24
• 第二章 实验方法24-29
• 2.1 实验方案24
• 2.2 实验设备24-29
• 2.2.1 样品制备所用设备24-26
• 2.2.2 样品表征所用设备26-29
• 第三章 背电极Mo的制备29-34
• 3.1 实验部分29-30
• 3.2 结果与分析30-32
• 3.3 实验小结32-34
• 第四章 吸收层Cu_2ZnSnS_4薄膜的制备34-50
• 4.1 实验部分34-36
• 4.1.1 实验原理34-35
• 4.1.2 实验步骤35-36
• 4.2 合成温度的影响36-40
• 4.2.1 合成温度对薄膜形貌的影响37-38
• 4.2.2 合成温度对薄膜物相的影响38
• 4.2.3 合成温度对元素成分的影响38-40
• 4.3 金属元素成分比例的影响40-44
• 4.3.1 金属元素成分对薄膜形貌和物相的影响41-43
• 4.3.2 金属元素成分对薄膜光吸收的影响43-44
• 4.4 改进的实验方法44-45
• 4.5 结果和分析45-48
• 4.5.1 XRD表征45-46
• 4.5.2 SEM表征46-47
• 4.5.3 紫外-可见吸收光谱表征47-48
• 4.6 实验小结48-50
• 第五章 缓冲层CdS的制备50-59
• 5.1 实验内容50-51
• 5.2 实验结果和分析51-56
• 5.2.1 pH值对CdS薄膜中Cd/S原子比的影响51-52
• 5.2.2 溶液浓度值对CdS薄膜的影响52-55
• 5.2.3 沉积电位对CdS薄膜的影响55-56
• 5.3 CZTS薄膜上电沉积CdS56-57
• 5.4 实验小结57-59
• 第六章 CZTS薄膜太阳能电池的研究59-65
• 6.1 CZTS薄膜太阳能电池器件的组装59-61
• 6.2 CZTS薄膜太阳能电池的研究61-64
• 6.2.1 太阳能电池等效电路以及关键参数61-63
• 6.2.2 所制备的CZTS薄膜太阳能电池的性能研究63-64
• 6.2.3 对所制备的CZTS电池性能损失的分析64
• 6.3 实验小结64-65
• 结论和展望65-68
• 参考文献68-74
• 附录74-75
• 致谢75-76

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

薄膜太阳能电池 未来成长仍看好    章从福;

全球薄膜太阳能电池产能持续大幅增长    

我国薄膜太阳能电池标准组织在佛山成立    谭强;

我国生产高端薄膜太阳能电池有了“利器”    

铝粒子可提高薄膜太阳能电池转化效率    

薄膜太阳能电池转化效率获得提高    

美研制出增强薄膜太阳能电池吸光技术    

美研制出增强薄膜太阳能电池吸光技术    

美研制出增强薄膜太阳能电池吸光技术    

太阳能:“薄膜”的正反两面    闫岩;

薄膜太阳能电池的研究进展(英文)    梁骏吾;

薄膜太阳能电池的研究现状和展望    徐轶;朱德贵;

真空技术在铜基化合物薄膜太阳能电池生产工艺中的运用    张军;邵乐喜;

氧化银薄膜的室温固相合成及其在体相异质结薄膜太阳能电池中的应用    魏杰;雷岩;翟学珍;郑直;

In掺杂ZnO薄膜的电沉积制备及电流密度对薄膜光电性能的影响    郑军;潘勇;欧铜钢;谭艳芳;范清喜;

基于碳纳米管的薄膜太阳能电池及多孔吸附材料    曹安源;

薄膜太阳能电池陶瓷衬底沉积工艺及性能的研究    黄勇;万之坚;李海峰;

无机合成法制备TiO_2纳米线阵列/CIS薄膜太阳能电池    范俊奇;武四新;

无机合成法制备TiO_2纳米线阵列/CIS薄膜太阳能电池    范俊奇;武四新;

磁控溅射法制备Cu(In,Al)Se_2薄膜性能的研究    周丽梅;薛钰芝;李剑锋;

本田决定批量生产新一代薄膜太阳能电池    洪研

薄膜太阳能电池 超薄 廉价 高效    

夏普建全球最大薄膜太阳能电池厂    黄女瑛 DigiTimes

薄膜太阳能电池明年量产    本报记者　张亮

薄膜太阳能电池面临机遇 中国光伏产业加速发展    于化丛

成本优势凸显 薄膜太阳能电池产业提速    于化丛

许津荣会见台港客商    王林辉　余宽平

迅速崛起的薄膜太阳能电池    刘林森

新薄膜太阳能电池将提高转化效率15%    聂翠蓉

投资薄膜太阳能电池需理性决策    世源科技工程有限公司总工艺师 李强

铜铟硒薄膜太阳能电池材料的制备与若干理论计算研究    蒋方丹

铜铟硒薄膜太阳能电池相关材料研究    万磊

铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究    童君

溶胶—凝胶法制备铜锌锡硫（Cu_2ZnSnS_4）薄膜太阳能电池    苏正华

微纳米化合物Cu-Zn-Sn-S光伏特性与新型薄膜太阳能电池的研究    陈勤妙

Cu_2ZnSnSe_4薄膜太阳能电池的制备及其p-n结能带偏移的研究    李纪

铜铟镓硒薄膜太阳能电池关键材料与原理型器件制备与研究    罗派峰

无机纳米晶基薄膜太阳能电池材料的电化学制备、机理及异质结组装研究    徐新花

Cu_2ZnSnS_4纳米颗粒可控制备及其薄膜太阳能电池器件的研究    魏铭

柔性基底薄膜太阳能电池研究与试制    冯煜东

铜锌锡硒薄膜太阳能电池研究    孟明明

新型三元铜基化合物薄膜太阳能电池的研究    韩珺

薄膜太阳能电池电极材料及陷光结构的构建与研究    徐娟

薄膜太阳能电池的遗传算法优化    王全志

有机薄膜太阳能电池物理性质的研究    王平

铜锌锡硒薄膜太阳能电池相关材料的研究    韩磊

碲化镉薄膜太阳能电池相关材料的制备与表征    侯泽荣

铜铟硒薄膜太阳能电池相关材料研究    陈立

薄膜太阳能电池的二元光栅结构    陈秀丽

Ⅰ-Ⅵ族纳米晶薄膜材料的室温原位合成及在杂化薄膜太阳能电池中的应用    雷岩