铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)与铜锡硫(Cu3SnS4)基太阳能电池制备

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Cu2Zn Sn S4(CZTS)和Cu3Sn S4(CTS)作为P型直接带隙的多元硫化物半导体,它们具有理想的光学带隙宽度(1.0~1.8 e V),高的光吸收系数(>104cm-1),组成元素丰度高以及价格低廉等优势,使得它们在光伏材料领域受到了广泛关注。磁控溅射技术具有沉积速度快,成膜质量好,技术成熟,可规模化生产等诸多优势,其在半导体薄膜生产领域有着广泛的应用。本文利用直流磁控溅射技术,以标准化学元素比例的CZTS、CTS化合物为靶材,快速沉积了CZTS、CTS薄膜,并以此为基础制备了基于CZTS吸收层的薄膜太阳能电池和以CTS/FTO为对电极的染料敏化太阳能电池(DSSC),对比研究了硫化温度、不同背电极、CTS沉积衬底温度和厚度等因素对两类电池光伏性能的影响。在CZTS薄膜太阳能电池制备中,以钠钙玻璃为衬底,在250℃衬底加热下直流溅射沉积了一系列厚度为1μm的CZTS薄膜,并在不同硫化退火温度做了退火(450~600℃)。用XRD、Raman光谱、AFM、Uv-vis-NIR、PL、霍尔效应等研究了退火温度对薄膜物相、形貌和光电学性能的影响。研究发现在退火温度为500~550℃,可以获得较纯的四方相CZTS,且随退火温度升高,薄膜表面愈加平整,结晶性能得到改善,缺陷浓度明显降低。退火后载流子浓度和迁移率分别可达1016/cm3和1cm2/V·s量级。通过探索Mo电极薄膜的沉积工艺,得出最优的衬底加热温度为200℃。在先高压后低压的双层Mo薄膜制备方法中,随第二层溅射功率的提升,电极表层的三角状颗粒尺寸逐渐增大,结合其表面AFM粗糙度(RMS)和方块电阻的变化,最终选定100 W加150 W为Mo薄膜最佳沉积功率。使用水浴法沉积了Cd S缓冲层,通过直流溅射进一步沉积了i-Zn O,AZO及Ag电极。通过太阳能电池J-V曲线测试,发现对吸收层的退火可显著提高电池光伏表现,在550℃得到了最佳的光电转换效率(1.15%)。此外,基于最优的退火工艺,我们对比了Mo与FTO两种背电极对电池效率的影响。依据J-V曲线,发现基于FTO的双面受光太阳能电池在背光照射时其短路电流密度Jsc为13.43 m A/cm2,明显高于正面照射时的9.82 m A/cm2。与Mo基CZTS薄膜电池相比,FTO基太阳能电池总体表现不佳。在直流溅射CTS化合物靶材来制备CTS/FTO对电极的过程中,通过XRD和Raman光谱确定了所得薄膜为纯的四方相CTS。通过调整沉积时的衬底温度(范围:150~450℃)对比其FE-SEM、AFM、J-V数据发现高的衬底加热温度不利于太阳能电池填充因子的提高,表面粗糙程度与Jsc间存在正相关关系,最优的衬底温度为250℃。在硫化过程中,在450~550℃范围内,随温度提高Voc和FF有所提升,但Jsc逐渐下降,总体来说DSSC转换效率得到提高,最终得到550℃为最佳退火温度,对应于DSSC的PCE为6.45%。通过减小CTS薄膜厚度,最终获得了400 nm-CTS/FTO电极的DSSC最高PCE(7.75%),与相同情况下的商用Pt电极(8.19%)十分相近。此外,该太阳能电池以对电极做受光面时取得PCE为0.73%。经过简单真空包装的DSSC放于室外环境下做了模拟老化测试,两个月后它的PCE衰减约3.5%。这些结果表明直流溅射沉积CTS/FTO是一种潜在的DSSC无Pt对电极制备方法。
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