四元硫属化合物薄膜的制备及其光电性能研究

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Cu(In,Ga)Se2(CIGS)材料具有效率高,性能稳定等优点,是薄膜光伏材料的重要组成部分。但是In和Ga是稀有金属,限制了CIGS电池的大规模应用。由CIGS发展出来的四元硫属半导体化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)和Cu2ZnSnSe4(CZTSe)具有组成元素丰富、环境友好,禁带宽度与单阶太阳能电池的禁带宽度相接近,吸收系数高(>104cm-1)等优点,是理想的太阳能电池材料。目前在制备CZTS和CZTSe时利用物理法可以制备出相对致密的薄膜,但是制备成本高,制备时需要用到高真空等苛刻条件。利用化学方法可以大幅降低成本,元素比例可控,但是也存在着要使用到有毒溶剂,需要去除长链有机配体等缺点。所以我们尝试使用低毒、短链溶剂,采用一种简单高效同时对环境友好的原位合成方法来制备CZTS和CZTSe。最后再根据制备出的CZTS薄膜和CZTSe薄膜的特点分别将其应用到薄膜电池和染料敏化电池中。本论文的主要工作包括以下几个部分:1.我们利用短链的丁胺和乙醇作为溶剂配制CZTS前驱体溶液。然后通过旋转涂膜我们可以制备厚度可控的纯相CZTS薄膜,在旋转涂膜七层之后CZTS薄膜的厚度即可达到1.5μm。CZTS在进行硒化处理后会有部分的S元素被Se元素取代,从而引起XRD衍射峰的偏移和拉曼峰的改变。通过研究控制退火温度对薄膜结晶性的影响,发现高温有利于提高结晶性。延长反应时间,硒化程度加深,会进一步改善薄膜的结晶。在550℃下硒化30分钟后我们制备出了由大的结晶颗粒组成的CZTS薄膜。通过对硒化时间的控制还可以有效调节CZTS薄膜的禁带宽度。2.我们尝试用纯相的CZTS薄膜进行了具有glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ITO/Al结构的太阳能电池器件的组装。对电池的缓冲层和窗口层分别进行了简单研究。最终我们组装完成了有效面积为0.39cm2的电池,并进行了性能测试。测试结果表明电池效率较低,并对效率不高的原因进行了分析。3.我们进一步简化合成方法,只使用二甲基亚砜一种溶剂来制备CZTSe前驱体溶液。根据溶剂粘结性不好的特点,在制备薄膜时采用滴涂的方法。结果表明CZTSe薄膜具有疏松多孔结构,具有较大的比表面积,适于作为染料敏化电池的对电极使用。4.我们通过控制前驱体溶液的浓度原位合成并制备了厚度不同的CZTSe薄膜,并将其作为对电极应用在染料敏化电池上面。当厚度为1.2μm的CZTSe薄膜作为对电极组装的染料敏化电池的最高效率为7.82%,可以与传统的Pt相媲美。随着CZTSe薄膜厚度的增加电池的=-电流密度显著地降低,填充因子则显著的增加。表明通过对CZTSe薄膜厚度的调节可以有效调节电池的填充因子和电流密度。
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