铜锡锗硫（CTGS）材料及薄膜太阳电池的制备与研究

发布时间：2020-07-23 18:21

【摘要】：铜锡硫(Cu_2SnS_3,CTS)薄膜材料由于成分无毒,元素含量丰富及较高的吸收系数(10~4cm~(-1)),元素比例易调控等优点,很适于用作薄膜太阳电池的吸收层。目前,报道的CTS薄膜太阳电池的最高转化效率仅为4.63%,远低于理论效率的30%。主要的问题在于适合用于制备器件的单斜结构的CTS薄膜带隙较低(1eV),限制了器件开路电压的提升。另一方面,CTS薄膜一般具有很高的载流子浓度,这也一定程度上限制了器件的转化效率。本文采用同族阳离子替代法,在CTS薄膜中掺入同族的Ge替代部分的Sn元素得到铜锡锗硫(Cu_2Sn_x Ge_(1-x)-x S_3,CTGS)薄膜材料。并提出分别采用射频磁控溅射金属单质靶(Sn/Ge/Cu)及单质靶与合金靶(SnGe/Cu)相结合的方法制备了不同的CTG薄膜预制层,后续对预制层进行高温硫化后得到CTGS薄膜吸收层。本文重点研究了不同硫化工艺对CTGS薄膜品质的影响及Ge的含量对CTGS薄膜的影响。通过优化工艺,得到结晶质量良好、组分分布较优且均匀致密的CTGS薄膜。最后将上述两种方法制备的吸收层薄膜制备出完整的CTGS薄膜太阳电池,并得到了一定的光电转化效率。本论文主要的研究内容如下:(1)采用磁控溅射金属单质靶Ge、Sn、Cu制备CTG薄膜预制层,并对预制层进行高温硫化得到CTGS薄膜,研究了不同的Ge掺入量及硫化工艺(硫化温度及硫化时间)对薄膜特性的影响。最后在确定最佳Ge含量与硫化工艺条件下改变Ge的掺入位置,探究Ge在预制层中的不同位置对成膜的质量影响。(2)采用射频溅射SnGe合金靶及单质Cu靶的方法制备CTG薄膜的预制层,并对预制层进行高温硫化获得CTGS吸收层薄膜,同样重点研究了硫化工艺的不同温度及时间对薄膜特性的影响。(3)对上述两种预制层制备的CTGS薄膜进行比较分析,具体在于晶体质量、表面和截面特征等的差异性比较。(4)将上述的两种预制层制备的CTGS薄膜运用于太阳电池中,研发了完整结构为Mo/CTGS/CdS/i-ZnO/AZO/Al的CTGS薄膜太阳电池,并比较研究了不同的吸收层薄膜对器件性能的影响。本文的相应研究结果如下:(1)在确定最佳的Ge含量约为10%后,将纯金属CTG预制层在530℃,550℃及570℃的温度下分别进行15和20min的硫化实验,对比研究结果发现在550℃的温度下保持15min进行硫化,获得的CTGS薄膜具有较好的结晶度,且薄膜表面平整致密,晶粒尺寸较大,各元素组分符合最佳的化学配比;若硫化温度低于550℃,制备的CTGS薄膜出现较多杂相,且薄膜表面较粗糙,晶粒大小不均;而当硫化温度高于550℃,由于Sn元素损失严重,薄膜的表面及截面分布上出现大量空洞。同时,Ge在上部掺入会导致元素比例失调较为严重且存在杂相;Ge在中部掺入,晶体质量得到了明显改善;在最底部掺入能提高了薄膜的表面形貌特征及电学性质。(2)将合金靶(SnGe)及单质靶(Cu)结合制备的CTG预制层在530℃,550℃及570℃的温度下分别进行15和20min的硫化实验。研究结果表明:当硫化温度为550℃,时间保持20min得到的CTGS样品晶体质量较好,薄膜表面平整致密,且晶粒尺寸较大。同时,当硫化温度为530℃以及采用硫化温度550℃保持15min的硫化工艺条件下获得的CTGS薄膜硫化不充分,存在杂相Cu_2S,且薄膜表面较为粗糙,晶粒尺寸小;当硫化温度高于550℃时,薄膜中Sn损失严重,较长的硫化时间20min时导致薄膜发生了热分解反应,杂相再次生成。(3)对采用两种不同预制层制备高质量的CTGS薄膜进行对比,发现单质靶制备的CTGS薄膜晶粒尺寸明显大于SnGe/Cu预制层制备的CTGS薄膜,电学性质相对SnGe/Cu预制层制备的CTGS也较好,载流子数目也有所降低。另外,通过EDS分析发现,合金靶源制备的CTGS薄膜在高温硫化过程中锡元素的损失更严重。(4)金属单质靶预制层制备的CTGS薄膜太阳电池最高光电转换效率为2.82%;SnGe/Cu预制层制备的CTGS薄膜太阳电池的效率2.97%。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4
【图文】：

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第 1章绪论组成原料在地壳中丰富，该材料具有资源丰富、不含毒性成分从而对环境友好、原材料成本低等优点，目前已知的 CTGS 薄膜太阳电池的最高转化效率为 6.7%，高于母体CTS薄膜器件的最高转化效率4.63%[23]，这也说明了CTGS 相比于CTS薄膜太阳电池的优越性，并有望成为新一代薄膜太阳电池的最佳选择之一，发展潜力巨大。

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1.3 铜锡硫（Cu2SnS3）及铜锡锗硫（Cu2Sn1-xGexS3）薄膜及太阳电池的介绍1.3.1 铜锡硫及铜锡锗硫薄膜的相互关系及材料特性根据不同的制备工艺能够得到不同晶体结构的 CTS 薄膜材料，目前已知CTS 薄膜的晶系主要受工艺温度的调控，低温（小于 550℃）下获得的为有序，单斜晶系（0.93eV）[25]；再到中等温度（550-775℃）为部分有序，四角晶系（1.35eV）[26]；最后为高温（大于 775℃）下的无序状态，立方晶系（1.15eV）[27]。CTGS薄膜是在 CTS 的基础上掺入同族的 Ge 元素替代部分的 Sn元素衍生而来的一种新型化合物半导体。CTS 作为一种导电类型为 P 型的直接带隙化合物半导体，由于适合制备薄膜太阳电池的单斜结构 CTS 带隙偏低且目前为止制备出来的CTS 薄膜太阳电池转化效率一直较低，因此，在 CTS 薄膜中掺入少量的 Ge 取代了部分 Sn 原子，随着 Ge 含量的增加使得禁带宽度变大（0.93-1.56eV）[28]，

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【参考文献】