大气氛围水相制备(Cu1-xMx)2ZnSn(S,Se)4电池材料

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Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)的组成元素Cu、Zn、Sn、S、Se在地壳中的蕴含量十分丰富,环境友好且廉价无毒,在原料方面具有非常大的优势。CZTSSe具有与CIGSSe相似的晶体结构,且其器件与CIGSSe薄膜太阳能电池器件具有相同的结构,CZTSSe薄膜太阳能电池同时也具有优异的性能。现阶段,致力于CZTSSe薄膜太阳能电池研究的科研人员主要采用真空法和非真空法来制备CZTS前躯体薄膜。在非真空法中,溶液法由于其生产所需设备成本低廉,操作简便而且溶液组成便于调控而成为广大科研工作者的研究热点。至今为止,CZTSSe薄膜太阳能电池的光电转换效率已达到12.6%,该工作是由美国的Mitzi课题组在肼溶液体系中完成的。然而,由于肼溶液剧毒,易爆,使得该溶液的使用和保存的条件较严苛,且需要高昂的费用,这将严重影响该电池材料制备方法在工业生产中的应用。因此,寻找无毒、安全、环保廉价的方法制备CZTSSe薄膜太阳能电池材料已成为CZTSSe薄膜太阳能电池研究工作中的重点。众所周知,水是最廉价、最环保的绿色溶剂,以水作为溶剂来制备多元化合物薄膜无疑将是最理想的途径。硫代乙醇酸铵作为生物制药的原材料和化学卷发液的主要成分,具有无毒安全等特点。在大气氛围中制备薄膜材料,可以解除对惰性气体的依赖,也省去了为保持惰性氛围所需的复杂操作,这无疑将在薄膜制备成本和操作方面具有很大的优势。基于以上几点,本论文工作的重点在于在绿色环保,无毒和成本低廉的体系中,进一步简化薄膜制备操作,降低所需设备成本,经过优化薄膜制备条件,从而制备得到质量较高的CZTSSe薄膜太阳能电池材料。本论文主要内容为:(1)采用绿色环保溶剂体系制备薄膜,简化制备工艺。将CuO、ZnO、SnO溶解于硫代乙醇酸铵水溶液和氨水溶液的混合溶液中,配制得到浅黄色的CZTS前驱体溶液。通过在大气氛围下旋涂及预处理、硒化处理、器件组装等后续工作,组装得到电池器件并测试得到了6.1%的光电转换效率。(2)用Ag部分取代Cu制备CAZTSSe薄膜并组装太阳能电池,进一步提高电池效率和器件的性能。Cu和Zn具有相似的共价半径,在硒化处理的过程中,Cu和Zn很容易占据对方的点阵点而形成CuZn和ZnCu缺陷,又由于CuZn缺陷是一种深能级缺陷,将会成为电子和空穴的复合中心,导致开路电压降低,这是影响CZTSSe薄膜太阳能电池性能的一个关键因素。在众多的元素中,Ag元素的共价半径相对于Cu元素而言大得多,同时,AgZn具有比CuZn更高的形成能,这些因素将有利于抑制CuZn缺陷的形成。为了提高CZTSSe薄膜太阳能电池的光电转换效率,我们将Ag元素加入到前驱体溶液中,使得Ag部分取代Cu制备CAZTSSe薄膜太阳能电池。最终,当Ag的取代量为2%时,我们将太阳能电池的光电转换效率提高到了7.38%。(3)我们对前驱体溶液体系进行了优化,将所用原料Cu2O、ZnO、SnO替换为Cu、Zn、Sn配制CZTS前驱体溶液。经过在大气氛围中多次旋涂预处理、高温硒化、以及组装器件等过程,我们成功组装了CZTSSe薄膜太阳能电池。该体系对环境友好,成本低廉,且所用原料避免引入杂质元素。
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