Cu-ZN-Sn硫族化物薄膜吸收层的共溅射制备工艺及性能研究

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当前Cu-Zn-Sn-硫族化物薄膜太阳能电池因其突出的优点(直接带隙约1.45-1.51eV、光吸收系数高约104 cm-1、无毒、矿源丰富、价格便宜和环境友好),近年来成为可再生能源领域研究的热点。本文以Cu-Zn-Sn-硫族化物为研究对象,采用磁控共溅射法制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜材料,并利用高温硒化工艺制备了Cu2ZnSn(SSe)4(CZTSSe)薄膜吸收层材料,评估了它们作为薄膜太阳电池吸收层的光电性能。  首先,利用共溅射法制备Cu-Zn-Sn-S预制层,并高温退火制备Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜。研究制备工艺条件对薄膜性能的影响。结果表明,样品光学带隙随退火温度升高而减小,且随着退火温度升高,衍射峰强度逐渐增加,薄膜沿(112)方向择优生长。ZnS、SnS、Cu2S靶材溅射功率分别为60、15、20W,退火温度为540℃,溅射时间20min,使用上述工艺可制得贫铜富锌结构CZTS吸收层,薄膜成相较好,可见光范围内的吸收系数大于104cm-1,颗粒均匀致密,光学带隙为1.5eV。  为进一步优化CZTS薄膜的性能,用固体Se粉作为硒源,采用高温硒化Cu-Zn-Sn-S预制层,制得贫铜富锌结构的CU2ZnSn(S,Se)4薄膜。研究了高温硒化工艺条件对CZTSSe薄膜性能的影响。结果表明,硒化后CZTSSe薄膜的光学带隙与CZTS薄膜相比较小,表面均匀性好且更加致密。并且随着硒化工艺中硒粉量的增加,光学带隙逐渐减小,当硒粉量分别为0.002、0.004、0.006和0.008g时,对应的光学带隙分别为1.20、1.18、1.16和1.13eV。并且薄膜在紫外可见光范围内有较好的光吸收性能,吸收系数都达到5*104cm-1以上。
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