Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池吸收层材料的制备和性能研究

【摘要】：Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳能电池的组成元素含量丰富、廉价、无毒,是太阳能电池领域的研究热点,理论预测Cu2ZnSnS4(CZTS)四元化合物薄膜太阳能电池的理论光电转换效率可达32.2%。然而,目前最高转换效率只有12%左右。造成这种局面的关键问题之一就是CZTS薄膜的质量和性能较差。因此,寻找CZTS薄膜的制备技术和方法,提高薄膜的质量和性能,是制备高效率CZTS基太阳电池的关键科学问题。本文分别采用溶胶—凝胶(Sol-gel)和磁控溅射技术,结合后热处理或硫化技术,开展了CZTS薄膜制备研究工作,并通过对薄膜结构、成分和性能的表征,研究了影响CZTS晶体结构和物理性能的因素和机制。具体研究内容和结果如下： 1、以氯化铜、氯化锌、氯化锡以及硫脲为原料,利用溶胶—凝胶硫化法制备Cu2ZnSnS4薄膜。研究热处理条件及Zn含量对薄膜结构、成分及性能的影响。发现较低温度硫化热处理后的薄膜含有部分Cl的存在,推断Cl可能占据CZTS中的S位,且在硫化热处理过程中逐渐被S元素替代。前驱体溶液中,Zn源含量为11.5mmol的前驱体薄膜先经250℃预退火,再经480℃硫化2h后可制得具有锌黄锡矿结构的单一相CZTS薄膜,该薄膜表而平整致密,禁带宽度为1.52eV,载流子浓度为2.46×1015cm-3。 2、采用磁控溅射CZTS四元靶材先生长Cu-Zn-Sn-S非晶前驱体薄膜,然后对前驱体薄膜进行不同条件的热处理制备CZTS薄膜,研究热处理条件对CZTS薄膜结构、成分及性能的影响。发现当前驱体薄膜在530℃,硫源质量为3g条件下硫化制备的CZTS薄膜具有良好的光学和电学性能,禁带宽度为1.52eV,载流子浓度为1.59×1016cm-3。 3、利用磁控溅射技术,按顺序沉积Cu/Sn/ZnS生长前驱体薄膜,然后对前驱体薄膜进行不同条件的硫化热处理,研究生成CZTS的反应路线及最佳硫化条件。研究表明：金属预制层在硫化过程中首先生成二元、三元硫化物,最后反应生成Cu2ZnSnS4相。硫源质量小或硫源温度低会导致硫化过程中元素反应不充分,硫源质量较大导致薄膜表面的疏松多孔,硫源温度高容易导致硫化过程中杂相的析出。前驱体薄膜在薄膜温度和硫源温度均为500℃,硫源质量2g硫化热处理后形成单一锌黄锡矿结构的CZTS薄膜,薄膜表面致密呈颗粒状,其禁带宽度约为1.54eV。 4、利用磁控溅射技术沉积六种不同沉积顺序的前驱体薄膜,然后对六种前驱体薄膜进行500℃的硫化热处理制备CZTS薄膜。研究沉积顺序对薄膜结构、成分及性能的影响。发现沉积顺序为Cu/Sn/ZnS的前驱体薄膜经硫化热处理后的薄膜表面更加致密,成分更接近化学计量比。在此基础上,又交替循环沉积Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS和Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS前驱体薄膜,研究循环沉积次数对薄膜结构、成分及性能的影响。研究表明：经500℃硫化热处理后,Cu/Sn/ZnS和Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS薄膜中均形成单一锌黄锡矿结构的CZTS相,而Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS薄膜中发现ZnS相的存在。循环沉积次数的增加加速了CZTS薄膜的合成过程,增大了薄膜表面的颗粒尺寸,但增加了薄膜的禁带宽度。 通过以上几种方法的研究,发现利用磁控溅射循环沉积的方法更有利于制备大晶粒,高性能的具有锌黄锡矿结构的CZTS薄膜。 【关键词】：CZTS薄膜 溶胶-凝胶 磁控溅射 硫化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太阳能电池的分类及简介12-17
• 1.3 Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池吸收层材料简介17-26
• 1.3.1 CZTS薄膜太阳能电池的器件结构17-19
• 1.3.2 CZTS薄膜的结构与缺陷研究19-21
• 1.3.3 CZTS薄膜材料的研究现状21-23
• 1.3.4 CZTS薄膜的制备方法23-26
• 1.4 本文主要工作的目的和意义26-29
• 1.4.1 本论文的选题依据26-27
• 1.4.2 本论文的主要工作27-29
• 第二章 实验方法与表征29-37
• 2.1 玻璃衬底的预处理29
• 2.2 Cu_2ZnSnS_4薄膜的制备29-35
• 2.2.1 溶胶-凝胶法制备CZTS前驱体薄膜29-31
• 2.2.2 磁控溅射法制备CZTS前驱体薄膜31-34
• 2.2.3 前驱体薄膜的硫化34-35
• 2.3 Cu_2ZnSnS_4薄膜样品的表征35-37
• 第三章 溶胶凝胶硫化法制备Cu_2ZnSnS_4薄膜及薄膜性能的研究37-55
• 3.1 引言37-38
• 3.2 实验过程38
• 3.3 结果与讨论38-54
• 3.3.1 热处理温度及氛围对CZTS薄膜的形成、成分及能带的影响38-45
• 3.3.2 热处理工艺对CZTS薄膜的结构及性能影响45-50
• 3.3.3 锌含量对CZTS薄膜结构及性能的影响50-54
• 3.4 本章结论54-55
• 第四章 磁控溅射四元靶材制备CZTS薄膜及其结构和性能表征55-63
• 4.1 前言55
• 4.2 实验过程55-56
• 4.3 结果与讨论56-62
• 4.3.1 氩气氛围下,热处理温度对Cu-Zn-Sn-S非晶前驱体薄膜结构转变及其性能的影响56-58
• 4.3.2 硫源质量对Cu-Zn-Sn-S非晶前驱体薄膜性能的影响58-62
• 4.4 本章结论62-63
• 第五章 顺序沉积Cu/Sn/ZnS前驱体薄膜的硫化条件对Cu_2ZnSnS_4相的形成和性能的影响规律的研究63-79
• 5.1 前言63-64
• 5.2 实验过程64-65
• 5.3 结果与讨论65-77
• 5.3.1 硫化温度对Cu/Sn/ZnS前驱体薄膜结构转变及其性能的影响65-70
• 5.3.2 硫源条件对Cu/Sn/ZnS前驱体薄膜结构转变及其性能的影响70-77
• 5.4 本章结论77-79
• 第六章 沉积顺序及循环沉积次数对CZTS薄膜形成和性能的影响79-93
• 6.1 前言79
• 6.2 实验过程79-81
• 6.3 结果与讨论81-91
• 6.3.1 沉积顺序对单一相CZTS薄膜的形成和性能影响81-85
• 6.3.2 循环沉积次数对CZTS薄膜的形成和性能的影响85-91
• 6.4 本章结论91-93
• 结论与展望93-95
• 参考文献95-105
• 攻读博士学位期间取得的学术论文105-107
• 作者简介107-108
• 致谢108

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

溅射法制备纳米薄膜材料及进展    贾嘉

太阳能光伏电池综述    成志秀;王晓丽;

CIGS薄膜太阳能电池研究进展    叶飞;禹争光;

射频磁控溅射法制备Cu_2ZnSnS_4薄膜    文亚南;李琳;陈士荣;史成武;梁齐;

XPS光电子峰和俄歇电子峰峰位表    刘芬;赵志娟;邱丽美;赵良仲;

预置金属层顺序沉积法制备CZTS薄膜太阳能电池的研究进展    王克振;王智平;赵静;郭长华;

砷化镓晶体生长设备的发展回顾    冯丰;王军红;

金属预置层后硒化法制备CIGS薄膜的研究进展    王影;周爱军;戴新义;冯利东;徐晓辉;杜敬芳;李晶泽;

预退火对溶胶-凝胶法制备Cu_2ZnSnS_4薄膜性能的影响    华中;孟祥成;孙亚明;王多;张守琪;

绿色太阳能电池    陆刚;

电沉积制备铜铟硒薄膜太阳能电池及纳米线的生长与性质研究    张中伟

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

Cu_2ZnSnS_4薄膜及其太阳电池的研究进展    江丰;沈鸿烈;

薄膜太阳电池研究综述    蔺旭鹏;强颖怀;肖裕鹏;徐明磊;

基于纳米颗粒的铜锌锡硫硒薄膜制备    魏铭;杜清扬;刘伟丰;江国顺;朱长飞;

太阳能电池技术应用与发展    赵书利;叶烽;朱刚;

超声雾化大尺度合成球形AlN颗粒研究    刘素静;程庆华;

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的研究进展    王波;刘平;李伟;马凤仓;刘新宽;陈小红;

新型铜硫系薄膜太阳能电池材料制备的研究进展    罗鹏;郑誉亮;龚力;赵丽霞;徐键;

溶胶-凝胶法制备Ni_(0.4)Cu_(0.2)Zn_(0.4)Fe_xO_4薄膜研究    高良秋;孟卫民;王颖;魏福林;

镁合金表面微弧氧化—SiO_2复合膜层的微观结构和耐蚀性    葛延峰;蒋百灵;李育磊;杨志远;

第二讲:太阳电池    王健强;

激光驱动飞片点火设计技术研究    赵翔

硅溶胶硅酸钾（钠）混合物体系稳定性及微量热热动力学    田和保

太阳能光伏产业链垂直一体化构建研究    耿亚新

太阳能电动车关键技术研究    李春芳

Cu_2O、ZnO纳微结构薄膜的制备及其光电性能研究    赵文燕

过渡元素掺杂ZnO稀磁半导体的制备及性质研究    刘洋

溶液雾化法制备镍钴精细粉体材料理论与工艺研究    郭秋松

TiO_2纳米管阵列薄膜的制备、表征及光电性能研究    黄娟茹

机械合金化法研制铜铟硒类光伏粉体材料    武素梅

锂离子电池磷酸盐正极材料的制备、表征及性能研究    胡成林

各国光伏路线图与光伏发电的进展    杨金焕;邹乾林;谈蓓月;葛亮;陈中华;

CdTe太阳能电池研究进展    张静全,蔡伟,郑家贵,黎兵,孙小松,蔡亚平,冯良桓

薄膜太阳电池的最新进展    王育伟;刘小峰;陈婷婷;姜春萍;王瑞林;

Cu_2ZnSnS_4薄膜及其太阳电池的研究进展    江丰;沈鸿烈;

薄膜太阳电池研究综述    蔺旭鹏;强颖怀;肖裕鹏;徐明磊;

影响磁控溅射膜质量的工艺因素    孔令英

射频溅射SiO_2在制造Si/SiGeHBT中的应用    邹德恕,徐晨,罗辑,陈建新,高国,魏泽民,沈光地

功率模块市场增长率将进一步提高    刘广荣;

薄膜太阳能电池的发展动态    刘玉萍;陈枫;郭爱波;李斌;但敏;刘明海;胡希伟;

太阳能电池及材料研究    梁宗存,沈辉,李戬洪

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池研究    褚家宝

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