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锌黄锡矿结构的Cu2ZnSn(S,Se)4具有优异的光学性能,组成元素都是地壳的丰产元素,且安全无毒,特别适合未来制备高效、廉价的薄膜太阳能电池。国内外科研人员采用多种方法制备高质量的Cu2ZnSn(S,Se)4吸光层材料,主要包括真空法和溶液法。其中利用溶液的方法备受青睐,因为该方法生产设备成本低廉,不需要昂贵的真空制膜设备;采用印刷技术可以连续快速成膜,速度快、投资少、效率高;另外通过改变溶液的组分可以来控制预制膜的组成。因此,溶液法更适合将来薄膜太阳能电池大规模生产。近来,美国IBM公司沃森研究中心采用肼作为溶剂的方法制备Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池,获得了12.6%的光电转化效率,这更加坚定了人们对该材料产业化的信心。然而,肼是一种高毒、高致癌、易爆炸的危险品试剂,势必会对将来的大规模生产薄膜太阳电池带来不利影响。基于以上原因,本论文的研究重点在于寻找绿色环保、廉价的溶剂来制备Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池。本论文主要内容归纳如下: 首先,我们开发了一种通用、绿色环保的方法制备一系列金属硫属化合物薄膜。金属氧化物、金属氢氧化物、金属盐等溶解在巯基乙酸和乙醇胺的混合溶液,形成了多种金属-有机分子前驱体溶液。通过旋涂相应的前驱体溶液,获得了高质量的SnS、CuInS2、CuSbS2、 Cu(In,Ga)S2、 Cu2ZnSnS4薄膜以及Ag(1%)掺杂的ZnxCd1-xS发光量子点薄膜。采用这种方法制备的Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池的光电转化效率达到6.83%,而且制备的器件具有较高的稳定性和重现性。 众所周知,水是最廉价、最环保的绿色溶剂,以水作为溶剂来制备无机半导体薄膜无疑将是最理想的途径。然而,水在铝玻璃表面的浸润性很差,导致成膜比较困难。因此,以水作为溶剂来制备Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池很少有报道。在本论文里,我们利用硫代乙醇酸铵的水溶液溶解多种金属氧化物及氢氧化物,从而获得了十五种金属硫化物分子前驱体溶液(金属为Cu、Zn、Sn、Ge、In、Sb、 Mg、Cd、Mn、Bi、Fe、Ni、Li、Na和K)。值得一提的是,单质硫粉和硒粉也能被高浓度溶解在硫代乙醇酸铵水溶液中。采用这种绿色环保方法,获得了高质量的Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜,组装电池器件,最高达到了6.62%的光电转化效率。这也是迄今为止以水作为溶剂制备Cu2ZnSn(S,Se)4太阳能电池的光电转化效率最高值。 此外,我们还开发了以1,2-乙二硫醇和乙醇胺作为溶剂来溶解Cu2O、ZnO、SnO而形成均一的Cu2ZnSn(S,Se)4前驱体溶液。我们使用该方法制备了高质量的Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜,通过组装器件而获得了7.34%的光电转化效率。