磁控溅射法和一步电沉积法制备Cu2ZnSnS4薄膜

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随着化石能源的日益减少,能源危机迫使人们不得不寻找可替代的新能源。新能源中太阳能来源丰富,是最有可能替代传统能源的清洁可再生能源。目前,常见的薄膜太阳能电池有CdTe、CIGS(CuInxGa(1-x)Se2)和CZTS(Cu2ZnSn4),但是Te、In、Ga是稀有元素,价格昂贵;Cd是重金属元素,安全性受到质疑。而CZTS与CIGS的光学性质和半导体性质相似,且组成元素储量丰富、价格低廉,有望成为替代CIGS的后备材料。本文采用磁控溅射法和一步电沉积法制备CZTS薄膜。磁控溅射法预制膜成膜质量高,成分比例易控制,但高度依赖后期热处理,本文磁控溅射法重点探讨硫化温度和SnS含量对实验结果的影响。电沉积法成本低廉,操作简便,但电沉积过程要求高,化学成分难控制,且高度依赖后期硫化处理。因此,前期通过改变溶液pH值、离子浓度研究电沉积的影响,后期通过调节硫化时间、硫化温度研究硫化过程对薄膜生长的影响。利用X射线荧光针(XRF)测定前驱体薄膜元素配比、能谱仪(EDS)测定CZTS薄膜成分、X射线衍射仪(XRD)和拉曼图谱(Raman)分析薄膜的结构、场发射扫描电镜(SEM)观测薄膜的表面和截面形貌。通过讨论分析得出,磁控溅射法中当硫化温度为580℃,SnS的含量为8mg时CZTS薄膜晶粒生长最好。电沉积法中最佳pH值为5.7,最佳离子浓度为22mM(CuSO4·5H2O)、22mM(ZnSO4·7H2O)、8mM(SnSO4),经300℃预处理30min能改善薄膜形貌,硫化过程中最佳硫化时间为60min,最佳硫化温度为580℃,制备的薄膜表面致密,晶粒均匀,薄膜厚度约为2μm,适合用作吸收层。
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