磁控溅射合金靶制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池

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铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳电池由于其具有组成元素储备丰富、成本较低和环境友好,近年来受到了越来越多科研机构和人员的关注。CZTS薄膜材料是直接带隙半导体并且具有太阳电池的最优禁带宽度1.45eV。本论文采用磁控溅射CuZn和CuSn合金靶制备CZT预制层,并将预制层进行硫化过后得到CZTS薄膜吸收层。随后采用化学水浴法在制备完成的CZTS薄膜上沉积CdS缓冲层,并用磁控溅射制备本征氧化锌和ITO窗口层,最终制备出完整的CZTS薄膜太阳电池。通过X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见光分光光度计、拉曼散射光谱仪、霍尔效应测试仪、场发射扫描电子显微镜和能谱仪等表征手段对CZTS薄膜的晶体结构、光电性能、表面与截面形貌和组成成分等进行分析。最终将采用I-V测试系统和外量子效率测试仪分别测试CZTS薄膜太阳电池的性能。最后结合实验数据结果和理论分析对不同条件下制备的CZTS薄膜的质量和CZTS薄膜太阳电池的性能进行分析判断。本论文主要的研究内容:(1)探究溅射周期对于CZTS薄膜的影响。具体分为溅射周期对于CZTS薄膜晶体质量的改变。溅射周期对于CZTS薄膜表面和截面形貌的影响。溅射周期对CZTS薄膜禁带宽度的改变。(2)探究不同硫化条件对于CZTS薄膜及其太阳电池的影响。具体分为不同硫化条件对于CZTS薄膜晶体质量的影响。不同硫化条件对于CZTS薄膜表面和截面形貌的影响。不同硫化条件对于CZTS薄膜电学性能的影响。不同硫化条件对于CZTS薄膜太阳电池性能的影响。(3)探究不同Zn含量对于CZTS薄膜及其太阳电池的影响。具体分为不同Zn含量对于CZTS薄膜表面和截面形貌的影响。不同Zn含量对于CZTS薄膜晶体质量的影响。不同Zn含量对于CZTS薄膜电学性能的影响。不同Zn含量对于CZTS薄膜太阳电池性能的影响。最后使用化学试剂刻蚀CZTS薄膜已达到优化吸收层的目的。研究的结果表明:(1)单周期溅射制备的CZTS薄膜中存在Cu2S二次相,四周期溅射制备的CZTS薄膜结晶性最好。单周期制备的CZTS薄膜表面存在较多针孔而四周期制备CZTS薄膜更加致密且晶粒大小相近。单周期溅射制备的CZTS薄膜截面存在着许多巨大的空洞。双周期溅射制备的CZTS薄膜截面的晶粒相对要致密和均匀一些,但是Mo/CZTS之间还是存在较大的空洞。四周期溅射制备的CZTS薄膜截面的晶粒最为致密和均匀。此外通过CZTS薄膜(αhν)2hν的曲线图显示三种不同溅射周期所制备的CZTS薄膜的带隙大小分别为单周期1.37 eV、双周期1.4 eV和四周期1.49 eV。(2)AS5硫化条件下制备的CZTS薄膜的晶体质量最为良好。而AS2、AS3和AS7条件下制备的CZTS薄膜中都存在Cu2S二次相。AS2、AS3和AS7条件下制备的CZTS薄膜表面都存在针孔并且有富铜的CZTS晶粒存在。六种不同条件下制备的CZTS薄膜的载流子浓度都在10181019的数量级。采用不同硫化条件(AS2-AS7)制备出了效率分别为2.8%、3.15%、5.12%、5.44%、4.7%和3.87%的CZTS薄膜太阳电池。(3)CZTS薄膜中Zn/Sn比例调控在1.2时,CZTS薄膜具有更为良好的晶体质量。当Zn/Sn的比例大于1.04时,图谱中的348 cm-1位置出现了ZnS二次相的特征峰。富锡的CZTS薄膜(Zn/Sn=0.8)表面存在大量的针孔而随着Zn/Sn比例的增加CZTS薄膜表面出现了白色细碎的晶粒和点状物。CZTS薄膜的载流子浓度随着Zn/Sn比例的增加而增加。最终薄膜Zn/Sn含量为1.2时,制备的CZTS薄膜太阳电池效率达到了5.07%,是这五组电池的最高效率。经过稀盐酸刻蚀吸收层后将太阳电池效率提升到了5.41%,利用EQE图谱做出两种不同处理的CZTS薄膜太阳电池的带隙分别为1.43eV和1.41 eV。
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