Cu2ZnSnS4纳米颗粒的微波法制备及性质研究

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铜锌锡硫材料被认为是铜铟镓硒材料最可能的替代者,因此引起了广泛的研究。在众多制备电池吸收层的方法中,用纳米颗粒配制出“油墨”进而涂敷于衬底的方法最简单便捷。本文主要介绍了微波法制备Cu2ZnSnS4纳米颗粒的实验过程以及在不同条件下制备的样品的结构和光学性质,并对以Cu2ZnSnS4纳米颗粒为吸收层的太阳能电池的制备工艺进行了初步探索。本文主要研究内容为:首先,设计实验研究不同硫化物作为硫源对样品性质的影响;然后,固定微波功率,改变微波反应时间,研究其对于样品结晶情况的影响;接着,通过改变硫化阶段的硫化温度和硫化时间来考察不同的硫化条件对于样品性质的影响;随后,设计实验调整组成四元化合物的元素间的摩尔比率来探究不同的配比条件下制备出样品的性质;最后,将最优化条件下得到的Cu2ZnSnS4样品制备电池,并对其效率进行了测试。本文主要结论包括:(1)在相同的实验条件下,相较于硫脲和硫代乙酰胺来说,硫化钠作为硫源能够明显改善样品的结晶性质。对比微波反应后和硫化后样品的结晶情况和杂质数量可以看出硫化钠都明显优于另两种硫化物。(2)固定微波炉功率为700W,改变微波处理时间,随着处理时间的延长,样品的结晶度有所提高,但当时间超过20min后样品性质没有明显改善,反而有杂相生成。这可能是由于四元化合物重新分解为二元和三元相所致。(3)硫化过程对于制备出结晶度好、纯度高的Cu2ZnSnS4纳米晶体至关重要。通过研究不同的硫化时间和硫化温度发现当硫化温度为550℃,硫化时间为30min时,样品为锌黄锡矿结构,颗粒大小均匀、结晶好、杂相少的Cu2ZnSnS4纳米粉体样品。(4)Cu2ZnSnS4四元化合物的元素配比影响样品的晶体结构、表面形貌以及光学性质。通过改前驱体溶液中组成元素摩尔比例,可以改变薄膜的能带宽度,Cu/[Zn+Sn]比值的改变可以影响样品的结构和反应生成物的性质。实验发现随着Cu/[Zn+Sn]比值的减小,样品的晶体结构、光学性质都得到相应改善,光学带隙增大。通过实验数据的对比得出最佳的配比条件为:Zn/Sn=1.3,Cu/[Zn+Sn]=0.75。(5)对Cu2ZnSnS4粉体制备电池的工艺做了初步探索,并获得了0.876%的转换效率。由于CZTS电池具有多层膜结构,每层膜的性质都会影响到电池的效率,如何减少多层膜间的缺陷以及如何提高薄膜的均匀性将是下一步实验研究的重点。
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