Cu2ZnSnS4薄膜的制备及掺杂改性研究

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铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,缩写为CZTS)薄膜是一种有良好光电特性的薄膜,它的禁带宽度(1.4-1.5eV)接近半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV),光吸收系数达到104cm-1,理论转化效率高达32.4%。同时,CZTS中的四种元素地球储量均非常丰富,并且安全无毒无污染,具有良好的市场前景。目前,CZTS已被视为替代铜铟镓硒(CIGS)太阳电池吸收层的候选材料之一。另有研究表明CZTS与硅基太阳电池结合形成叠层电池可弥补市场硅基电池效率停滞不前的现状,有望成为未来硅基叠层光伏电池的理想材料。本文采用复合氧化物纳米墨水涂覆法在钼玻璃基底上制备了CZTO前驱体薄膜,通过研究后硫化退火过程工艺参数优化CZTS薄膜,并通过器件表征获得了2.08%光电转换效率的CZTS薄膜太阳电池。然后利用标准硫化样品通过研究硒化掺杂的过程工艺参数制备CZTSSe薄膜,对CZTS薄膜进行掺杂改性,最后通过制备器件得到4.11%光电转化效率的CZTSSe薄膜太阳电池。本论文取得的成果如下:(1)研究了制备CZTO前驱体的共沉淀过程参数,通过研究共沉淀体系pH值、共沉淀温度和PVP含量对铜锌锡复合氢氧化物成分和粒径的影响,得到共沉淀过程的优化条件为:pH值为9.5,共沉淀温度为40℃,PVP含量为0.5%;研究了CZTO前驱体的煅烧温度和保温时间对复合氧化物成分和粒径的影响,最终得到最优的煅烧温度为550℃,保温时间为2h。(2)采用共沉淀法制备Cu-Zn-Sn复合氧化物纳米粉末,机械球磨法配置了复合氧化物纳米墨水,在钼玻璃上涂覆后硫化制备了CZTS薄膜。实验研究了硫化退火过程工艺参数(硫化退火温度、硫化时间及硫源温度)对CZTS薄膜成分、形貌和物相结构等的影响,通过表征分析获得了本实验最优硫化退火温度为580℃,最优硫化保温时间为60min以及最优硫源温度为200℃;在优化条件下制备出光电转换效率为2.08%的CZTS薄膜太阳电池。(3)在上述标准硫化样品基础上研究了硒化掺杂工艺参数。研究了硒化掺杂工艺(硒化掺杂温度、硒化掺杂保温时间及硒源温度)对CZTSSe薄膜成分,形貌以及物相结构等的影响,实验结果表明最佳的硒化掺杂工艺为:硒化掺杂温度为550℃,硒化保温时间为60min,硒源温度为400℃。最终,采用优化后工艺制备了光电转换效率为4.11%的CZTSSe薄膜太阳电池,开路电压、短路电流和填充因子分别为623mV、16.02mA/cm2和41.2%。
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