铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的制备与性能研究.doc

铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的制备与性能研究铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，简称CZTS)薄膜吸收系数高,禁带宽度为1.5eV,处于单结太阳能电池的理想带隙值,成本低且不含有毒元素,是理想的薄膜太阳能电池吸收层材料。因此开展CZTS薄膜材料和CZTS薄膜太阳能电池的研究具有重要的学术意义和应用价值。磁控溅射法具有可控性强,重复性好,制备薄膜均匀致密等优点,适合制备CZT金属预制膜。固态硫化CZT金属预制膜,对设备损伤和环境污染少,安全环保,是环境友好型的生产方式。因此本文采用磁控溅射制备的铜锡锌(CZT)金属预制膜,然后固态硫化预制膜制备CZTS薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、紫外拉曼光谱仪(Raman)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见分光光度计(UV-vis)分别对薄膜的物相结构、化学成分、表面形貌和透射率进行表征。研究了CZT金属预制膜中金属含量及硫化工艺对CZTS薄膜的成分、组织结构和光学性能的影响规律,分析了固态硫化法制备CZTS薄膜的的机理,并初步制备了CZTS薄膜太阳能电池,研究结果如下：1)在钠钙玻璃上制备的CZT金属预制膜中Zn和Sn的含量对CZTS薄膜的性能影响较大。Zn含量增加,可有效降低Cu的含量,有利于抑制CuxS的生成。预制膜Zn/Sn比在0.21-0.36范围内,制备的CZTS薄膜晶粒大小随Zn的含量的增加变大,结晶程度提高。金属预制膜中的Sn含量增加至Cu/(Zn+Sn)=0.3,Zn/Sn=0.24左右,可有效提高CZTS薄膜的结晶度,使薄膜更均匀致密。而CZTS膜中出现Sn2S3等杂相时,降低薄膜的质量,会引起薄膜的光学带隙显著变小。2)将在钠钙玻璃上Zn、Sn、Cu金属层沉积时间分别为92s、2173s和221s获得的CZT金属预制膜,在500℃下、N2气氛中固态硫化20min后,可制得单相锌黄锡矿结构的CZTS。制备的CZTS薄膜化学成分贫Cu富Zn,接近CZTS薄膜性能最优比,薄膜表面均匀平整,结晶度较好,光吸收系数达104cm-1,光学带隙为1.52eV。3)在镀Mo钠钙玻璃上沉积的CZT金属预制膜,硫化温度对形成CZTS薄膜有重要的影响。固态硫化20mmin后,在400～450℃硫化时,薄膜可形成CZTS相,但含有杂质CuS和Sn2S3,且薄膜表面不平整,孔隙较多。在硫化温度为500℃时,可形成单相锌黄锡矿结构的CZTS,薄膜表面晶粒分布均匀,紧密排列。当硫化温度为550℃时,生成的CZTS薄膜与Mo的结合力差,容易脱落。4)硫化时间对制备CZTS薄膜的稳定性影响较大。在500℃时,随着硫化时间增加,薄膜的Cu和Sn含量增加,Zn的含量显著减少。500℃下CZTS存在着分解,硫化时间增长会促进CZTS分解形成SnS,导致薄膜疏松,表面容易隆起,同时引起装置内的气压升高,Zn的流失加重。硫化时间过长,CZTS薄膜中会出现Cu2SnS3、Sn2S3等杂质,造成薄膜的光学带隙变小。在500℃下硫化20min获得质量良好的单相CZTS薄膜。5)硫化后的薄膜再进行低温退火处理,能有效优化薄膜形貌和光学性能。结果显示,退火温度为300℃制备的CZTS薄膜的晶粒尺寸约75nm,表面平整致密,光吸收系数达104cm-1,光学带隙为1.50eV,适合作为薄膜太阳能电池的吸收层。6)初步制备了Glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ag结构CZTS薄膜太阳能电池,其开路电压为121mV,短路电流密度为0.014mA·cm-2,填充因子为0.25。