Cu_2ZnSnS_4薄膜太陽能電池材料的制備和性能研究

【摘要】：四元半導體化合物Cu_2ZnSnS_4(CZTS)與目前的研究熱門CuIn_(1-x)Ga_xSe_2(CIGS)具有相似的晶體結構，都可以作為薄膜太陽能電池的光吸收層材料。由于CZTS不含稀有和有毒元素，被普遍認為是有望替代價格昂貴的CIGS最佳材料之一，己成為目前薄膜太陽電池領域的研究熱點。CZTS是直接禁帶半導體材料，其光吸收系數(shù)達到了104cm-1，禁帶寬度約為1.5eV，很接近單結太陽能電池所需要的最佳禁帶寬度。這些特點使其成為了一種很有潛力的新型太陽能電池吸收層材料。 本文先使用固相反應法制備了Cu_2ZnSnS_4(CZTS)粉體材料，然后將制備出的粉體材料壓制成單一相的CZTS四元化合物靶材，在鈉鈣玻璃襯底上通過射頻濺射沉積方法得到了CZTS薄膜，在空氣氣氛中以400℃退火，得到單相的鋅黃錫礦結構CZTS薄膜。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對樣品的微觀形貌和晶體結構進行了表征，采用紫外-可見-近紅外分光光度計(島津UV3600)和能譜儀(EDS)對樣品的光學性能和元素成分進行了測試分析。研究了各個實驗參數(shù)對樣品的表面形貌、晶體結構、光吸收系數(shù)、禁帶寬度和化學成分等性能的影響關系。研究結果表明：使用固相反應法在熱處理溫度高于500℃時，得到的CZTS粉體材料結構為典型的鋅黃錫礦晶體結構，禁帶寬度為1.45eV，SEM照片顯示樣品粒徑為50μm的粉體。該材料壓制的CZTS靶材，通過射頻磁控濺射生長了CZTS薄膜，不需要硫化處理即可得到鋅黃錫礦結構的CZTS薄膜材料。EDS測量結果表明在CZTS薄膜生長過程中會損失少量的Cu元素，研究結果表明，隨著濺射氣壓的降低，CZTS薄膜的結晶性較好，并且禁帶寬度隨著濺射氣壓的降低在1.4~1.5eV之間逐漸增加，薄膜的光吸收系數(shù)均高于1×10~4cm~(-1)，這表明所制備的CZTS薄膜材料達到了太陽能電池光吸收層材料的要求。 【關鍵詞】：太陽能電池 薄膜 銅鋅錫硫(CZTS) 固相反應法 射頻磁控濺射
【學位授予單位】：河南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 太陽能電池的研究背景9-11
• 1.2 太陽能電池的工作原理和表征11-15
• 1.2.1 p-n 結11-12
• 1.2.2 p-n 結的光生伏特效應12-13
• 1.2.3 太陽能電池的伏安特性和表征13-15
• 1.3 太陽能電池的分類15-17
• 1.3.1 硅基太陽能電池15-16
• 1.3.2 化合物太陽能電池16-17
• 1.3.3 有機太陽能電池和染料敏化太陽能電池17
• 1.4 Cu_2ZnSnS_4薄膜太陽能電池17-18
• 1.5 本文的研究內容18-21
• 第二章 CZTS 薄膜簡介21-27
• 2.1 CZTS 薄膜的性質21-22
• 2.2 CZTS 薄膜的制備方法22-27
• 2.2.1 磁控濺射前驅體后硫化法22-23
• 2.2.2 真空蒸發(fā)法23-24
• 2.2.3 噴霧熱解法24
• 2.2.4 電沉積法24-25
• 2.2.5 溶劑熱法和溶膠凝膠法25-27
• 第三章 CZTS 粉體材料的制備和靶材的壓制27-39
• 3.0 CZTS 材料的表征方法27-33
• 3.0.1 X 射線衍射 (XRD)27-29
• 3.0.2 掃描電子顯微鏡 (SEM)29-31
• 3.0.3 能譜儀 (EDS)31-32
• 3.0.4 紫外-可見-近紅外分光光度計32-33
• 3.1 CZTS 粉體材料的制備33-34
• 3.2 CZTS 粉末樣品晶格結構的分析34-35
• 3.3 CZTS 粉末樣品的微觀形貌35-36
• 3.4 CZTS 粉體樣品的光學性質36-37
• 3.5 CZTS 靶材的壓制37
• 3.6 小結37-39
• 第四章 磁控濺射制備 CZTS 薄膜及性能研究39-59
• 4.1 磁控濺射法簡介39-40
• 4.2 薄膜的生長40-42
• 4.2.1 薄膜的生長模式40-41
• 4.2.2 磁控濺射的成膜過程41-42
• 4.3 CZTS 薄膜的制備及性能研究42-58
• 4.3.1 磁控濺射法的基本原理42-45
• 4.3.2 實驗儀器45-46
• 4.3.3 濺射氣壓對 CZTS 薄膜沉積速率和性質的影響46-52
• 4.3.4 襯底溫度對 CZTS 薄膜沉積速率和性質的影響52-58
• 4.4 小結58-59
• 第五章 總結與展望59-61
• 5.1 總結59
• 5.2 展望59-61
• 參考文獻61-67
• 致謝67-69
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文目錄69-70

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