Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池材料的制备和性能研究

【摘要】：四元半导体化合物Cu_2ZnSnS_4(CZTS)与目前的研究热门CuIn_(1-x)Ga_xSe_2(CIGS)具有相似的晶体结构，都可以作为薄膜太阳能电池的光吸收层材料。由于CZTS不含稀有和有毒元素，被普遍认为是有望替代价格昂贵的CIGS最佳材料之一，己成为目前薄膜太阳电池领域的研究热点。CZTS是直接禁带半导体材料，其光吸收系数达到了104cm-1，禁带宽度约为1.5eV，很接近单结太阳能电池所需要的最佳禁带宽度。这些特点使其成为了一种很有潜力的新型太阳能电池吸收层材料。 本文先使用固相反应法制备了Cu_2ZnSnS_4(CZTS)粉体材料，然后将制备出的粉体材料压制成单一相的CZTS四元化合物靶材，在钠钙玻璃衬底上通过射频溅射沉积方法得到了CZTS薄膜，在空气气氛中以400℃退火，得到单相的锌黄锡矿结构CZTS薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对样品的微观形貌和晶体结构进行了表征，采用紫外-可见-近红外分光光度计(岛津UV3600)和能谱仪(EDS)对样品的光学性能和元素成分进行了测试分析。研究了各个实验参数对样品的表面形貌、晶体结构、光吸收系数、禁带宽度和化学成分等性能的影响关系。研究结果表明：使用固相反应法在热处理温度高于500℃时，得到的CZTS粉体材料结构为典型的锌黄锡矿晶体结构，禁带宽度为1.45eV，SEM照片显示样品粒径为50μm的粉体。该材料压制的CZTS靶材，通过射频磁控溅射生长了CZTS薄膜，不需要硫化处理即可得到锌黄锡矿结构的CZTS薄膜材料。EDS测量结果表明在CZTS薄膜生长过程中会损失少量的Cu元素，研究结果表明，随着溅射气压的降低，CZTS薄膜的结晶性较好，并且禁带宽度随着溅射气压的降低在1.4~1.5eV之间逐渐增加，薄膜的光吸收系数均高于1×10~4cm~(-1)，这表明所制备的CZTS薄膜材料达到了太阳能电池光吸收层材料的要求。 【关键词】：太阳能电池 薄膜 铜锌锡硫(CZTS) 固相反应法 射频磁控溅射
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 太阳能电池的研究背景9-11
• 1.2 太阳能电池的工作原理和表征11-15
• 1.2.1 p-n 结11-12
• 1.2.2 p-n 结的光生伏特效应12-13
• 1.2.3 太阳能电池的伏安特性和表征13-15
• 1.3 太阳能电池的分类15-17
• 1.3.1 硅基太阳能电池15-16
• 1.3.2 化合物太阳能电池16-17
• 1.3.3 有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池17
• 1.4 Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池17-18
• 1.5 本文的研究内容18-21
• 第二章 CZTS 薄膜简介21-27
• 2.1 CZTS 薄膜的性质21-22
• 2.2 CZTS 薄膜的制备方法22-27
• 2.2.1 磁控溅射前驱体后硫化法22-23
• 2.2.2 真空蒸发法23-24
• 2.2.3 喷雾热解法24
• 2.2.4 电沉积法24-25
• 2.2.5 溶剂热法和溶胶凝胶法25-27
• 第三章 CZTS 粉体材料的制备和靶材的压制27-39
• 3.0 CZTS 材料的表征方法27-33
• 3.0.1 X 射线衍射 (XRD)27-29
• 3.0.2 扫描电子显微镜 (SEM)29-31
• 3.0.3 能谱仪 (EDS)31-32
• 3.0.4 紫外-可见-近红外分光光度计32-33
• 3.1 CZTS 粉体材料的制备33-34
• 3.2 CZTS 粉末样品晶格结构的分析34-35
• 3.3 CZTS 粉末样品的微观形貌35-36
• 3.4 CZTS 粉体样品的光学性质36-37
• 3.5 CZTS 靶材的压制37
• 3.6 小结37-39
• 第四章 磁控溅射制备 CZTS 薄膜及性能研究39-59
• 4.1 磁控溅射法简介39-40
• 4.2 薄膜的生长40-42
• 4.2.1 薄膜的生长模式40-41
• 4.2.2 磁控溅射的成膜过程41-42
• 4.3 CZTS 薄膜的制备及性能研究42-58
• 4.3.1 磁控溅射法的基本原理42-45
• 4.3.2 实验仪器45-46
• 4.3.3 溅射气压对 CZTS 薄膜沉积速率和性质的影响46-52
• 4.3.4 衬底温度对 CZTS 薄膜沉积速率和性质的影响52-58
• 4.4 小结58-59
• 第五章 总结与展望59-61
• 5.1 总结59
• 5.2 展望59-61
• 参考文献61-67
• 致谢67-69
• 攻读学位期间发表的学术论文目录69-70

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