CTS和CZTS薄膜太阳能电池的水浴法制备与性能研究

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目前,为了满足社会对能源的热切需求,新兴能源逐渐兴起,其中光伏发电技术尤为引人注目。在发展中的新型化合物太阳能电池领域内,铜基太阳能电池得到了广泛的研究,例如铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池、铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳能电池等。目前铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光电转换效率已经超过了21%,CZTSSe薄膜太阳能电池的光电转换效率也已超过了12.6%。然而,多元化合物可控制备困难与高昂的生产制备成本居高不下,直接限制了该类电池的市场化进程,目前市场化的太阳能电池依然是以硅基太阳能电池为主。本文主要是基于如何制备低成本高效率铜基薄膜太阳能电池这一问题出发,制备研究分析了基于一种非真空低温化学水浴的方法制备铜锡硫(CTS)和CZTS薄膜太阳能电池。第一章,详细回顾了太阳电池的原理、历史、发展现状;特别说明了基于CTS和CZTS薄膜太阳能电池的发展现状、存在问题;最后提出本文的研究课题和主要研究内容。第二章,介绍了化学水浴法的原理、历史,详细地介绍了CBD法成膜机制;同时举例CBD-ZnS薄膜介绍影响在CBD法中的各类成膜因素;最后一节介绍了一种基于辅助还原法(ARR)制备金属单质薄膜的CBD新方法,成功制备出Cu金属单质薄膜,打破了CBD法原有只能制备金属化合物薄膜的范畴;第三章,利用CBD叠层法成功制备CTS薄膜及其电池器件。研究分析了基于叠层结构Mo/SnS/Cu制备的CTS薄膜的结构、形貌特征、元素组成信息、以及薄膜的光学性质。此外,还对不同退火温度下制备的电池器件性能进行了表征,发现随着温度的增加,晶粒尺寸的增加直接影响到最后电池器件的电流密度Jsc,呈现线性增加的方式。得到基于600℃C-10min退火条件下CTS (Cu/Sn-1.68)薄膜太阳能电池器件最高的光电转换效率接近1%。第四章,这一章介绍了两部分工作内容:①利用CBD-SnS/Cu/ZnS叠层结构前驱膜硫化硒化退火制备出CZTS(Se)薄膜,并同时得到基于CZTSSe和CZTS薄膜太阳能电池器件的光电转换效率分别为3.0% (1.27cm2)和2.2%(1.80cm2),后在改善前驱膜形貌与组分的基础上尝试制备大面积太阳能电池器件(CZTSSe),总活性面积3.238cm2,平均光电效率达4.378%,其中最高光电效率达5.6%;②深入研究分析不同Cu源(Cu和CuS)在叠层结构中的影响,发现,叠层SnS/CuS/ZnS制备存在前驱膜开裂、后退火存在SnS2二次相等问题,严重影响了最后CZTS薄膜太阳能电池器件的光电性能,本研究采用在退火中额外添加Sn源的方法成功减少了SnS2的生成,将光电转换效率提高到3.09%。第五章,拓宽了CBD叠层法制备多元化合物,成功制备出CMTS(M:Cd, Mn)薄膜。研究结果表明,通过利用CBD叠层法可以较容易地制备出高质量的多元化合物薄膜。
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