溅射制备铜锌锡硫薄膜及其CZTS/In2S3异质结的初步研究

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铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)是四元12-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4族化合物半导体,其原料储量丰富成本低;吸收系数大于1×104cm-1;禁带宽度为1.50 eV;理论光电转换效率为32.2%。因此,CZTS薄膜材料已成为替代CuInGaSe2太阳能电池吸收层的最佳候选材料之一。在制备CZTS薄膜的过程中,一般会存在均匀性较差和次级相等问题,本论文尝试使用溅射合金靶制备金属预制层来控制上述问题。本文采用磁控溅射Cu2ZnSn合金靶制备金属前驱体,然后硫化金属前躯体的方法,成功地在玻璃衬底上获得了CZTS薄膜。我们研究了制备工艺对CZTS薄膜物相结构、组分、形貌及光电性能的影响;并对CZTS/In2 S3异质结进行了初步研究。主要研究结果如下:1、研究了溅射功率和溅射气压对CZTS薄膜光电性能的影响。预先制备了CZT前驱体,并将前驱体放在N2(95 sccm)+H2S(5 sccl n)的气氛中500℃下硫化2小时获得CZTS薄膜。研究表明,随着溅射功率的增大,迁移率呈逐渐增大的趋势,电阻率呈先减小后增大的趋势;随着溅射气压的增大,载流子浓度呈先减小后增大的趋势,迁移率和电阻率呈先增大后减小的趋势。溅射功率为90 W、溅射气压为2.0 Pa时,制备的CZT前驱体硫化后得到的CZTS薄膜具有较好的性能,薄膜的杂相较少。2、研究了硫化氢浓度对CZTS薄膜性能的影响。结果表明,随着硫化氢浓度的增大,载流子浓度先减小后增大,迁移率和电阻率都呈现先增大后减小的趋势。硫化氢浓度为5%时,CZTS薄膜的性能最佳,光学禁带为1.50 eV,载流子浓度为2.07×1018 cm-3,电阻率为2.37Ω·cm,迁移率为1.38cm2·v-1·S-1,适合作为CZTS薄膜太阳能电池的吸收层。3、研究了四种金属(Ag、In、Cu和A1)与In2S3薄膜的接触特性。结果表明,四种金属与In2S3薄膜都能形成良好的欧姆接触,其中Ag与In2S3薄膜形成的串联电阻最小。研究了Al电极与CZTS薄膜的接触特性。I-V特性曲线表明Al电极与CZTS薄膜形成了较好的欧姆接触。4、制备出了CZTS/In2S3异质结,并研究了CZTS/In2S3异质结的能带结构和光电性能。CZTS/In2S3异质结的导带阶AEc为0.82 eV,该值大于ΔEc允许的范围(0eV<ΔEc<0.4 eV),这将会阻碍电子从吸收层到缓冲层。由I-V特性测试可知,所制备的CZTS/In2S3异质结具有较好整流特性.
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