论文部分内容阅读
铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4,CZTS）具有合适的光学带隙和较高的光吸收系数,其组成元素来源丰富、环境友好且成本低廉,被认为是一种极具发展前景的新型薄膜太阳能电池吸光层材料,其制备技术也越来越受关注。论文针对当前直接溶液法制备CZTS薄膜存在的问题,提出了一种安全、无毒、均质、纯净、低成本的CZTS前驱体墨水,并对墨水特性、薄膜制备工艺以及薄膜特性进行了系统的研究,主要研究工作如下:以多硫化铵（（NH4）2S）水溶液为单一溶剂,硫化亚铜（Cu2S）、锌单质（Zn）和二硫化锡（SnS2）为金属源配制出无机非联氨的多硫基CZTS前驱体墨水。分析原料的溶解机制,提取并鉴定各金属源的溶解产物。结果表明Cu2S、Zn以及SnS2溶解于多硫化铵后分别生成四硫铜铵（NH4CuS4）、硫化锌（ZnS）以及硫代锡酸铵（（NH4）6Sn3S9·1.3H2O）。采用NH4CuS4、多硫基配体-ZnS纳米晶以及SnS2为金属源,并以硫化铵水溶液为单一溶剂,配制出CZTS前驱体墨水。研究结果表明NH4CuS4、多硫基配体-ZnS纳米晶、（NH4）6Sn3S9·1.3H2O以及CZTS前驱体均具有较低的热解温度,对应的热解产物分别为CuS、ZnS、SnS2和CZTS,从而验证了墨水用于制备CZTS的可行性。结合墨水的特性,搭建出一套超声喷雾热分解沉积系统,并将其应用于CZTS薄膜沉积。分析超声喷雾热分解沉积的物理过程,研究衬底温度和载气流量对沉积形貌的影响。研究结果表明,由于雾滴的表面张力随着温度的升高而减小,因此适当提高衬底温度能增大雾滴的铺展面积,从而有助于雾滴的蒸发和前驱体的及时分解,改善预制膜的致密性;当衬底温度过高时,莱顿弗罗斯特效应会使雾滴的铺展面积变小,导致预制膜的致密性变差。当采用低载气流量进行喷涂时,雾滴在衬底上的铺展面积较大,所沉积的预制膜致密性较好;当载气流量过大时,由于强喷气的降温作用,导致雾滴的铺展面积变小,预制膜的致密性下降。分别研究衬底温度、喷涂扫描速率以及退火氛围对CZTS薄膜特性的影响。衬底温度研究结果表明,由于240°C至360°C是CZTS前驱体热解的主要温度范围,在该温度范围内提高衬底温度能有效改善薄膜的结晶性和致密性;当衬底温度过高时,由于前驱体热解过于剧烈,导致薄膜的结晶性和致密性明显下降。喷涂扫描速率的研究表明,薄膜的结晶性及致密性均随着扫描速率的增加而得到改善。在低速扫描阶段,随着扫描速率的增加,薄膜结晶性和致密性的改善较为显著;当扫描速率达到一定值后,薄膜结晶性和致密性的改善不再明显。退火氛围的研究结果表明,尽管预制膜已具备单一相CZTS结构,但由于SnS和S具有较高的饱和蒸气压,导致无硫氛围退火时发生Sn、S元素损失。硫氛围退火能有效减小Sn、S元素的损失,抑制CZTS的分解,因此退火过程中增加硫氛围对薄膜的组分维持和结晶性改善是十分必要的。在CZTS前驱体墨水的基础上提出一种CZTSSe前驱体墨水,并通过所搭建的超声喷雾热分解沉积系统进行CZTSSe预制膜沉积,探讨了无硒氛围退火制备CZTSSe薄膜的机理。墨水采用硫化铵水溶液作为单一溶剂,NH4CuS4、多硫基配体-ZnS纳米晶、SnS2分别作为铜、锌、锡源,以及硒单质作为硒源来配制。由于墨水中含有硒源,并且硒成分在预退火后能保留下来,因此可通过无硒氛围退火制备CZTSSe薄膜。当墨水的硒浓度从0.025 M增加至0.125 M时,薄膜的S/（S+Se）比值从0.88下降至0.39,带隙从1.43eV收窄至1.16 eV。