铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的制备与性能研究

【摘要】：铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，简称CZTS)薄膜吸收系数高,禁带宽度为1.5eV,处于单结太阳能电池的理想带隙值,成本低且不含有毒元素,是理想的薄膜太阳能电池吸收层材料。因此开展CZTS薄膜材料和CZTS薄膜太阳能电池的研究具有重要的学术意义和应用价值。磁控溅射法具有可控性强,重复性好,制备薄膜均匀致密等优点,适合制备CZT金属预制膜。固态硫化CZT金属预制膜,对设备损伤和环境污染少,安全环保,是环境友好型的生产方式。因此本文采用磁控溅射制备的铜锡锌(CZT)金属预制膜,然后固态硫化预制膜制备CZTS薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、紫外拉曼光谱仪(Raman)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见分光光度计(UV-vis)分别对薄膜的物相结构、化学成分、表面形貌和透射率进行表征。研究了CZT金属预制膜中金属含量及硫化工艺对CZTS薄膜的成分、组织结构和光学性能的影响规律,分析了固态硫化法制备CZTS薄膜的的机理,并初步制备了CZTS薄膜太阳能电池,研究结果如下：1)在钠钙玻璃上制备的CZT金属预制膜中Zn和Sn的含量对CZTS薄膜的性能影响较大。Zn含量增加,可有效降低Cu的含量,有利于抑制CuxS的生成。预制膜Zn/Sn比在0.21-0.36范围内,制备的CZTS薄膜晶粒大小随Zn的含量的增加变大,结晶程度提高。金属预制膜中的Sn含量增加至Cu/(Zn+Sn)=0.3, Zn/Sn=0.24左右,可有效提高CZTS薄膜的结晶度,使薄膜更均匀致密。而CZTS膜中出现Sn2S3等杂相时,降低薄膜的质量,会引起薄膜的光学带隙显著变小。2)将在钠钙玻璃上Zn、Sn、Cu金属层沉积时间分别为92s、2173s和221s获得的CZT金属预制膜,在500℃下、N2气氛中固态硫化20min后,可制得单相锌黄锡矿结构的CZTS。制备的CZTS薄膜化学成分贫Cu富Zn,接近CZTS薄膜性能最优比,薄膜表面均匀平整,结晶度较好,光吸收系数达104cm-1,光学带隙为1.52eV。3)在镀Mo钠钙玻璃上沉积的CZT金属预制膜,硫化温度对形成CZTS薄膜有重要的影响。固态硫化20mmin后,在400～450℃硫化时,薄膜可形成CZTS相,但含有杂质CuS和Sn2S3,且薄膜表面不平整,孔隙较多。在硫化温度为500℃时,可形成单相锌黄锡矿结构的CZTS,薄膜表面晶粒分布均匀,紧密排列。当硫化温度为550℃时,生成的CZTS薄膜与Mo的结合力差,容易脱落。4)硫化时间对制备CZTS薄膜的稳定性影响较大。在500℃时,随着硫化时间增加,薄膜的Cu和Sn含量增加,Zn的含量显著减少。500℃下CZTS存在着分解,硫化时间增长会促进CZTS分解形成SnS,导致薄膜疏松,表面容易隆起,同时引起装置内的气压升高,Zn的流失加重。硫化时间过长,CZTS薄膜中会出现Cu2SnS3、 Sn2S3等杂质,造成薄膜的光学带隙变小。在500℃下硫化20min获得质量良好的单相CZTS薄膜。5)硫化后的薄膜再进行低温退火处理,能有效优化薄膜形貌和光学性能。结果显示,退火温度为300℃制备的CZTS薄膜的晶粒尺寸约75nm,表面平整致密,光吸收系数达104cm-1,光学带隙为1.50eV,适合作为薄膜太阳能电池的吸收层。6)初步制备了Glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ag结构CZTS薄膜太阳能电池,其开路电压为121mV,短路电流密度为0.014 mA·cm-2,填充因子为0.25。 【关键词】：薄膜太阳能电池 固态硫化 磁控溅射 铜锌锡硫薄膜
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• CONTENTS11-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 太阳能电池概述14-16
• 1.1.1 太阳能电池的研究背景与意义14-15
• 1.1.2 太阳能电池的工作原理15-16
• 1.2 薄膜太阳能电池的分类和特点16-21
• 1.2.1 硅基薄膜太阳能电池17-18
• 1.2.2 有机聚合物薄膜太阳能电池18-19
• 1.2.3 无机化合物薄膜太阳能电池19-21
• 1.3 CZTS薄膜太阳能电池21-27
• 1.3.1 CZTS薄膜的性质21-22
• 1.3.2 CZTS薄膜的制备方法22-26
• 1.3.3 CZTS薄膜太阳能电池结构26-27
• 1.4 CZTS薄膜太阳能电池的发展现状和问题27-28
• 1.5 本论文的研究目标和主要工作28-30
• 第二章 材料制备方法与表征手段30-38
• 2.1 实验设备30-31
• 2.2 材料制备方法31-33
• 2.2.1 制备金属预制膜31-32
• 2.2.2 金属预制膜的固态硫化32-33
• 2.2.3 CdS薄膜的化学水浴法制备33
• 2.3 材料表征技术33-38
• 2.3.1 扫描电子显微镜和能量色散谱33-35
• 2.3.2 X射线衍射35-36
• 2.3.3 拉曼光谱36-37
• 2.3.4 紫外-可见光透射光谱37-38
• 第三章 金属预制膜成分对固态硫化CZTS薄膜性能影响38-54
• 3.1 CZTS薄膜的制备38-40
• 3.2 CZT金属膜中Zn的含量对CZTS薄膜性能的影响40-46
• 3.2.1 Zn含量变化对CZTS薄膜成分的影响40-42
• 3.2.2 Zn含量变化对CZTS薄膜组织结构的影响42-44
• 3.2.3 Zn含量变化对CZTS薄膜光学性能的影响44-46
• 3.3 CZT金属膜中Sn的含量对CZTS薄膜性能的影响46-52
• 3.3.1 Sn含量变化对CZTS薄膜成分的影响46-48
• 3.3.2 Sn含量变化对CZTS薄膜组织结构的影响48-50
• 3.3.3 Sn含量变化对CZTS薄膜光学性能的影响50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 CZTS薄膜硫化工艺的优化54-79
• 4.1 硫化温度对CZTS薄膜性能的影响54-62
• 4.1.1 硫化温度对CZTS薄膜成分的影响55-57
• 4.1.2 硫化温度对CZTS薄膜组织结构的影响57-61
• 4.1.3 硫化温度对CZTS薄膜光学性能的影响61-62
• 4.2 硫化时间对CZTS薄膜性能的影响62-69
• 4.2.1 硫化时间对CZTS薄膜成分的影响63-64
• 4.2.2 硫化时间对CZTS薄膜组织结构的影响64-68
• 4.2.3 硫化时间对CZTS薄膜光学性能的影响68-69
• 4.3 硫化后低温退火的温度对CZTS薄膜性能的影响69-73
• 4.3.1 退火温度对CZTS薄膜组织结构的影响70-72
• 4.3.2 退火温度对CZTS薄膜光学性能的影响72-73
• 4.4 CZTS薄膜在太阳能电池上的应用73-77
• 4.4.1 CZTS太阳能电池结构与制备工艺73-75
• 4.4.2 CZTS薄膜太阳能电池的性能测试75-77
• 4.5 本章小结77-79
• 总结与展望79-81
• 特色与创新之处81-82
• 参考文献82-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89-91
• 致谢91

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