Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳电池是在Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池基础上发展而来的新型化合物半导体光伏器件。由于CZTS不含有稀有金属In与Ga及有毒元素Se,所含的Zn和Sn都是地壳中含量丰富并且环境友好的元素,所以CZTS太阳能电池不仅降低了生产成本,同时有利生态环境的保护。因此CZTS被认为是未来CIGS薄膜发展受限制时很好的替代材料,是目前光伏领域的研究热点之一。本论文以直流脉冲磁控溅射法制备CZTS薄膜太阳能电池为远期目标,开展了吸收层CZTS粉体及薄膜和窗口层ZnO基薄膜的制备与性能研究,系统地研究各薄膜磁控溅射制备过程中的相关沉积参数对其性能的影响,获得了各膜层的最佳生长条件,并在此基础上试制备了glass/Mo/CZTS/i-ZnO/BZO/Cu薄膜太阳电池。论文的研究内容主要包括:(1)光吸收层CZTS材料的粉体及靶材的制备。首先基于水热法和机械化学法进行了 CZTS粉体的合成研究,探讨了合成过程中CZTS物相形成机理以及CZTS粉体的烧结性能,确定了最佳制备工艺和烧结工艺参数。结果表明,经580 rpm的转速下球磨48 h后所得CZTS粉体在Ar气氛下700 ℃烧结所得CZTS烧结体具有单一锌黄锡矿型物相结构,性能最优,本文在此条件下制备了用于后续磁控溅射沉积薄膜研究的CZTS陶瓷靶材。(2)CZTS薄膜的无硫化过程一步单靶磁控溅射制备研究。系统研究了基底温度、溅射气压、溅射功率和脉冲频率对CZTS薄膜性能的影响规律与机制,并确定了 CZTS薄膜单靶磁控溅射的最佳沉积条件。结果表明,基于一步单靶磁控溅射法,在基底温度低于500 ℃所制备的CZTS薄膜均具有单一的锌黄锡矿型晶体结构,并具有明显的(112)面择优取向。此外,在基底温度为室温的情况下,溅射气压的不同可以造成所沉积薄膜的择优取向改变。即,当溅射气压为0.4 Pa时,所沉积的薄膜具有(220)面择优取向;当溅射气压大于等于0.6 Pa时,所沉积的薄膜具有(112)面择优取向。当基底温度为350-400 ℃,溅射气压低于0.8 Pa,溅射功率不低于200 W时所沉积的CZTS薄膜具有良好的光电性能,适合用于太阳能电池的吸收层。(3)窗口层ZnO基薄膜的制备。首先,基于溶胶-凝胶法和磁控溅射法系统研究了 B掺杂ZnO(BZO)薄膜,确定了 BZO薄膜的最佳制备条件。结果表明,基于溶胶-凝胶法,当B掺杂浓度为0.5 at.%时,热解温度为500 ℃时所制备的BZO薄膜的光电性能最优;基于磁控溅射法,选择B掺杂浓度为1.0 at.%的BZO靶材,在较高的基底温度(400 ℃)和较低的溅射功率(100 W)下所沉积的BZO薄膜的光电性能最优。其次,系统研究了磁控溅射过程中基底温度和O2与Ar的流量比对i-ZnO薄膜性能的影响规律与机制。研究表明,增加基底温度有助于i-ZnO薄膜的结品,而溅射过程中引入O2可以降低薄膜的载流子浓度,为CZTS薄膜太阳能电池中高阻i-ZnO薄膜的制备奠定基础。(4)基于前述CZTS薄膜及窗口层ZnO基薄膜的磁控溅射研究结果,进行了简易CZTS薄膜太阳能电池的磁控溅射法试制备。制备的电池的单元面积是0.5 cm2,开路电压为15.5 mV,短路电流为5.6 mA/cm2,填充因子为23.8%,电池的效率为0.02%,并分析了电池的效率低的原因。