铜锌锡硫太阳能电池吸收层制备与研究

论文摘要

铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，CZTS）薄膜太阳能电池由于成本低、光电转换效率高且无毒，成为近年来光伏领域的研究热点。CZTS属于黝锡矿结构，其禁带宽度（Eg）约1.45eV，接近太阳能电池的最佳禁带宽度（1.5eV），吸收系数超过1.0×104cm-1，理论计算也表明其能量转换效率高达32.2％，非常适合作为太阳电池吸收层。本文采用热蒸发和硫化相结合的方法制备CZTS薄膜。首先利用热蒸发的方法制备Sn/Cu/ZnS（CZT）叠层前躯体，然后采用硫蒸气硫化前躯体获得CZTS薄膜。深入分析了制备工艺对薄膜的物相结构、表面形貌和电性能的影响并对其物性成因进行了探索。研究获得以下主要结果：1．研究具有不同金属原子比（n Zn/n Sn和n Cu/（n Sn+n Zn））的CZTS薄膜性能。结果表明：n Cu/（n Sn+n Zn）=0.83且n Zn/n Sn=1.15为最优金属原子比，此时CZTS薄膜为黝锡矿结构且无其它杂相存在。2．按照最优金属原子比制备CZT前躯体薄膜，研究硫化温度（300-550℃）和硫化时间（1-3h）对CZTS薄膜性能的影响。结果表明：当前躯体硫化温度为不低于500℃且硫化时间为3h时所制备的CZTS薄膜结晶性最好。此条件下获得的CZTS薄膜沿着（112）晶向择优生长且无其他杂质相存在。当硫化温度为500℃、硫化时间3h时，薄膜的禁带宽度、载流子浓度、电阻率和迁移率分别为1.54eV、1.08×1017cm-3、5.38·cm、10.72cm2/（V·s），适合作为CZTS薄膜太阳能电池吸收层。本文还研究了可作为CZTS太阳能电池透明电极和减反射层的掺锡氧化铟（Indium Tin Oxide，ITO）薄膜。研究中，我们采用直流磁控溅射的方法制备ITO薄膜并根据太阳能电池透明导电电极工艺要求，研究了溅射功率、溅射气压、衬底温度对ITO薄膜结构、形貌和光电性能的影响。结果表明，在溅射功率为30W，基片温度为150℃且工作气压为0.4Pa的条件下制备ITO薄膜，ITO薄膜具有较低电阻率（3.574×10-4·cm）和较高平均透射率（>86%），这非常适合作为太阳能电池的透明导电极和减反射层。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 太阳能电池的发展
• 1.2 光伏效应
• 1.3 太阳能电池分类
• 1.4 铜锌锡硫（CZTS）太阳能电池
• 1.4.1 CZTS 的性质
• 1.4.2 CZTS 太阳能电池结构
• 1.4.3 CZTS 太阳能电池研究进展
• 1.5 CZTS 薄膜制备方法
• 1.5.1 真空沉积方法
• 1.5.1.1 磁控溅射法
• 1.5.1.2 热蒸发法
• 1.5.2 非真空制备方法
• 1.5.2.1 电化学或者化学浴法
• 1.5.2.2 高温热分解法
• 1.6 CZT 前躯体制备方式对 CZTS 太阳能电池性能的影响
• 1.6.1 Cu/Zn（ZnS）/Sn 顺序制备 CZT 前驱体
• 1.6.2 Sn/Cu /Zn（ZnS）顺序制备前躯体
• 1.6.3 Zn（ZnS）/Sn/Cu 顺序制备前躯体
• 1.6.4 各种前驱体沉积顺序对 CZTS 薄膜太阳能电池性能的影响
• 1.7 选题依据与研究方案
• 1.7.1 选题依据
• 1.7.2 研究方案
• 1.8 本章小结
• 第二章 真空蒸发和硫化法制备 CZTS 薄膜
• 2.1 真空蒸发镀膜
• 2.2 薄膜生长
• 2.3 CZT 前躯体制备工艺参数设计
• 2.4 CZTS 薄膜制备过程
• 2.4.1 基片清洗
• 2.4.2 CZT 前躯体制备
• 2.4.3 硫化制备 CZTS 薄膜
• 2.5 实验设备及表征仪器简介
• 2.6 本章小结
• 第三章 CZTS 薄膜的结构、成分和形貌研究
• 3.1 测试仪器原理
• 3.1.1 X 射线衍射（XRD）
• 3.1.2 能量色散 X 射线谱（EDX）
• 3.1.3 扫描光学显微镜
• 3.2 CZTS 薄膜成分分析
• 3.2.1 CZTS 薄膜成分对 CZTS 薄膜物相结构的影响
• 3.2.2 硫化温度对 CZTS 薄膜物相结构的影响
• 3.2.3 硫化时间对 CZTS 薄膜物相结构的影响
• 3.3 CZTS 薄膜表面形貌的分析
• 3.3.1 CZTS 薄膜成分对表面形貌的影响
• 3.3.2 硫化温度对 CZTS 薄膜表面形貌的影响
• 3.3.3 硫化时间对 CZTS 薄膜表面形貌的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 CZTS 薄膜光学性能分析
• 4.1 半导体吸收光谱理论分析
• 4.1.1 光吸收与载流子产生
• 4.1.2 禁带宽度与太阳能电池转换效率关系
• 4.1.3 半导体材料中光的吸收规律
• 4.1.4 紫外-可见-红外光分光光度计测试原理
• 4.2 CZTS 薄膜制备参数对 CZTS 薄膜光学性能的影响
• 4.2.1 CZTS 薄膜成分对 CZTS 薄膜光学性能的影响
• 4.2.2 硫化温度对 CZTS 薄膜光学性能的影响
• 4.2.3 硫化时间对 CZTS 薄膜光学性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 CZTS 薄膜电学性能分析
• 5.1 半导体霍尔效应测试原理
• 5.2 太阳能电池吸收层电学性能要求
• 5.3 制备参数对半导体性能的影响
• 5.3.1 CZTS 薄膜成分对 CZTS 薄膜半导体性能的影响
• 5.3.2 硫化温度对 CZTS 薄膜半导体性能的影响
• 5.3.3 硫化时间对 CZTS 薄膜半导体性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 磁控溅射制备 ITO 导电薄膜
• 6.1 ITO 透明导电薄膜的基本性能
• 6.2 影响 ITO 薄膜导电性能的几个因素
• 6.3 磁控溅射制备 ITO 薄膜
• 6.3.1 ITO 薄膜的制备方法
• 6.3.2 ITO 薄膜制备要求
• 6.3.3 磁控溅射制备 ITO 薄膜的工艺流程
• 6.4 ITO 薄膜测试及结果分析
• 6.4.1 溅射功率对 ITO 薄膜表面形态的影响
• 6.4.3 基片温度对 ITO 薄膜物相结构的影响
• 6.4.4 溅射工艺对 ITO 薄膜光学性能的影响
• 6.4.5 溅射工艺对 ITO 薄膜半导体性能的影响
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文