铜锌锡锗硒（CZTGSe）材料及薄膜电池的制备与研究
发布时间：2021-03-24 23:03
铜锌锡硒（Cu2ZnSnSe4,CZTSe）薄膜作为一种四元化合物半导体材料,由于其为p型直接带隙半导体材料（Eg≈1.0eV）,并且组成薄膜的元素在地壳中含量丰富以及拥有较高的吸收系数(>104cm-1)的特点而被广泛的研究。但是,其效率还远低于理论效率（>30%）。其中限制CZTSe薄膜太阳电池效率提升的因素主要归结于界面复合较为严重、其禁带宽度相对较小以及结晶质量较差,进而造成较低的开路电压(Voc)和填充因子（FF）。针对上述提出的限制CZTSe薄膜光电转换效率提升的因素进行研究,拟采用同族阳（Ge）、阴（S）离子替代方法来突破这个瓶颈。首先采用射频磁控溅射硫化物靶和单质靶相结合的方式制备铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4,CZTS）预制层,经过低温退火和高温硒化处理得到CZTSe吸收层,研究Ge掺入不同位置对薄膜的成膜质量的影响,确定最佳Ge的掺入位置。为了确定Ge元素在CZTSe薄膜中的最佳扩散深度,研究了在Mo层中...
【文章来源】：云南师范大学云南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu2ZnSnS4的化学势相图
扩散、p区的空穴向n区扩散。n区的电子离开后，留下了不可动的带正电荷的电离施主，所以在n区一侧出现了电离施主构成的正电荷区，相反，在p区留下不可动的带负电荷的电离受主，所以在p区一侧出现了由电离受主构成的负电荷区。正、负电荷区构成空间电荷区，同时产生内建电场，内建电场方向由n区指向p区，在内建电场的作用下载流子做漂移运动，而电子和空穴的漂移运动方向与他们的扩散运动方向相反，随着载流子运动的增强，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移电流逐渐达到平衡，pn结无电流流过，达到平衡pn结状态，如图1.2所示（a）。而从pn结的能带图（图1.2b）中可以看出，无光照时，n型半导体和p型半导体的费米能级处于同一位置。当光线照射在太阳电池时（如图1.3），只要光子能量大于n型或者p型半导体材料的禁带宽度，这部分光子就会分别被这两种半导体材料吸收，并将其价带的电子激发到导带产生光生载流子（电子空穴对）。由于入射光强度随传播距离呈现存在指数衰减，即0IIexpx1故在太阳电池中单层半导体材料从太阳照射面至背表面产生的光生载流子浓度呈现递减过程，而光生载流子的浓度差导致载流子的扩散运动。当光生载流子扩散至pn结附近时，由于内建电场的作用下，n区产生的光生空穴漂移至p区，光生电子被阻挡在n区；p区产生的光生电子漂移至n区，光生空穴被阻挡在p区，这样情况下，n区的电子数量越来越多，电势降低，p区的空穴数量越来越多，电势升高，导致pn结两端形成光生电动势，再外接上负载时，在持续光照条件下，就有电流不断流过电路。图1.2(a)热平衡pn结的状态图(b)平衡pn结时能带图Fig.1.2(a)thestatediagramofp-njunctionunderthermalequilibrium(b)banddiagramofp-njunctionunerthermalequilibrium
第一章绪论51.3铜锌锡硒基薄膜太阳电池的介绍1.3.1铜锌锡硒薄膜的性质I2-II-IV-VI4四元化合物CZTSe作为一种p型直接带隙半导体材料，其带隙1.0eV左右。CZTSe和CZTSSe的晶体结构与CZTS相似，均为锌黄锡矿结构，利用同族替代元素Se完全和部分替代S得到的。实际上，CZTS材料的晶体结构包括两种：锌黄锡矿(kesterite)和黄锡矿(stannite)结构，两种晶体结构的不同仅在于Cu和Zn在面心立方晶格中的排布不同，但利用第一性原理计算证明在锌黄锡矿结构中的材料能量最低，故具有锌黄锡矿结构的CZTS比黄锡矿结构更稳定[21]，而且SusanSchorr用中子散射和Rietveld分析证明Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4都是锌黄锡矿结构[22]，因此在制备CZTS吸收层过程中通常为锌黄锡矿结构。用锌黄锡矿CZTS做说明，如图1.4（a）所示，CZTS晶体结构中每一个阴离子（S）分别与4个阳离子（2个Cu离子、1个Zn离子和1个Sn离子）相结合，同时，每一个阳离子与4个阴离子相结合形成四面体配位。锌黄锡矿结构中的CuSn，CuZn，CuSn，CuZn分别在Z=O，1/4，1/2，3/4上交替排列的，属于14对称的空间群[22,23]。获得高转换效率的CZTS薄膜太阳电池通常偏离化学计量比：Cu/(Zn+Sn)≈0.8～0.95以及Zn/Sn≈1.1～1.25，达到组分比例为贫铜富锌的条件，减少薄膜中杂相生成，以获得具有较高的转换效率的CZTS薄膜太阳电池图1.3太阳电池工作原理示意图Fig.1.3theschematicdiagramofsolarcell
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能电池材料-铜锌锡硫化合物薄膜制备及器件应用研究进展[J]. 范勇,秦宏磊,密保秀,高志强,黄维. 化学学报. 2014(06)
[2]Ge-SiO2薄膜的XPS研究[J]. 叶春暖,汤乃云,吴雪梅,诸葛兰剑,余跃辉,姚伟国. 微细加工技术. 2002(01)
[3]光生伏特效应[J]. 陈宜生,张立升. 物理通报. 1995(02)
博士论文
[1]多元半导体及其合金的第一性原理计算研究[D]. 陈时友.复旦大学 2009
硕士论文
[1]磁控溅射合金靶制备铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳电池[D]. 陆熠磊.云南师范大学 2018
本文编号：3098557
【文章来源】：云南师范大学云南省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Cu2ZnSnS4的化学势相图
扩散、p区的空穴向n区扩散。n区的电子离开后，留下了不可动的带正电荷的电离施主，所以在n区一侧出现了电离施主构成的正电荷区，相反，在p区留下不可动的带负电荷的电离受主，所以在p区一侧出现了由电离受主构成的负电荷区。正、负电荷区构成空间电荷区，同时产生内建电场，内建电场方向由n区指向p区，在内建电场的作用下载流子做漂移运动，而电子和空穴的漂移运动方向与他们的扩散运动方向相反，随着载流子运动的增强，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移电流逐渐达到平衡，pn结无电流流过，达到平衡pn结状态，如图1.2所示（a）。而从pn结的能带图（图1.2b）中可以看出，无光照时，n型半导体和p型半导体的费米能级处于同一位置。当光线照射在太阳电池时（如图1.3），只要光子能量大于n型或者p型半导体材料的禁带宽度，这部分光子就会分别被这两种半导体材料吸收，并将其价带的电子激发到导带产生光生载流子（电子空穴对）。由于入射光强度随传播距离呈现存在指数衰减，即0IIexpx1故在太阳电池中单层半导体材料从太阳照射面至背表面产生的光生载流子浓度呈现递减过程，而光生载流子的浓度差导致载流子的扩散运动。当光生载流子扩散至pn结附近时，由于内建电场的作用下，n区产生的光生空穴漂移至p区，光生电子被阻挡在n区；p区产生的光生电子漂移至n区，光生空穴被阻挡在p区，这样情况下，n区的电子数量越来越多，电势降低，p区的空穴数量越来越多，电势升高，导致pn结两端形成光生电动势，再外接上负载时，在持续光照条件下，就有电流不断流过电路。图1.2(a)热平衡pn结的状态图(b)平衡pn结时能带图Fig.1.2(a)thestatediagramofp-njunctionunderthermalequilibrium(b)banddiagramofp-njunctionunerthermalequilibrium
第一章绪论51.3铜锌锡硒基薄膜太阳电池的介绍1.3.1铜锌锡硒薄膜的性质I2-II-IV-VI4四元化合物CZTSe作为一种p型直接带隙半导体材料，其带隙1.0eV左右。CZTSe和CZTSSe的晶体结构与CZTS相似，均为锌黄锡矿结构，利用同族替代元素Se完全和部分替代S得到的。实际上，CZTS材料的晶体结构包括两种：锌黄锡矿(kesterite)和黄锡矿(stannite)结构，两种晶体结构的不同仅在于Cu和Zn在面心立方晶格中的排布不同，但利用第一性原理计算证明在锌黄锡矿结构中的材料能量最低，故具有锌黄锡矿结构的CZTS比黄锡矿结构更稳定[21]，而且SusanSchorr用中子散射和Rietveld分析证明Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4都是锌黄锡矿结构[22]，因此在制备CZTS吸收层过程中通常为锌黄锡矿结构。用锌黄锡矿CZTS做说明，如图1.4（a）所示，CZTS晶体结构中每一个阴离子（S）分别与4个阳离子（2个Cu离子、1个Zn离子和1个Sn离子）相结合，同时，每一个阳离子与4个阴离子相结合形成四面体配位。锌黄锡矿结构中的CuSn，CuZn，CuSn，CuZn分别在Z=O，1/4，1/2，3/4上交替排列的，属于14对称的空间群[22,23]。获得高转换效率的CZTS薄膜太阳电池通常偏离化学计量比：Cu/(Zn+Sn)≈0.8～0.95以及Zn/Sn≈1.1～1.25，达到组分比例为贫铜富锌的条件，减少薄膜中杂相生成，以获得具有较高的转换效率的CZTS薄膜太阳电池图1.3太阳电池工作原理示意图Fig.1.3theschematicdiagramofsolarcell
【参考文献】：
期刊论文
[1]太阳能电池材料-铜锌锡硫化合物薄膜制备及器件应用研究进展[J]. 范勇,秦宏磊,密保秀,高志强,黄维. 化学学报. 2014(06)
[2]Ge-SiO2薄膜的XPS研究[J]. 叶春暖,汤乃云,吴雪梅,诸葛兰剑,余跃辉,姚伟国. 微细加工技术. 2002(01)
[3]光生伏特效应[J]. 陈宜生,张立升. 物理通报. 1995(02)
博士论文
[1]多元半导体及其合金的第一性原理计算研究[D]. 陈时友.复旦大学 2009
硕士论文
[1]磁控溅射合金靶制备铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳电池[D]. 陆熠磊.云南师范大学 2018
本文编号：3098557
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