铜锌锡硫薄膜的制备、刻蚀及薄膜太阳能电池性能研究

发布时间：2020-07-06 13:58

【摘要】：铜锌锡硫(CZTS)具有1.45eV的光学禁带宽度,接近理论上的最佳值,同时对太阳光有着高达10~4/cm~(-1)级的吸收系数,是一种非常适合作为薄膜太阳电池吸收层的四元半导体材料,在近年来作为热点材料被广泛研究。脉冲激光沉积(PLD)是一种合适制备CZTS薄膜的薄膜沉积方法,但这种方法存在一些不足,如在利用PLD法制备CZTS薄膜时,制备的薄膜样品会存在表面过于粗糙的问题,导致薄膜存在更多的缺陷,从而影响薄膜性能。另一方面,CZTS薄膜由于狭窄的稳态相区导致在贫铜富锌的最优配比下会存在有害二次相。为了研究改善PLD法制备的CZTS薄膜器件的性能,本论文主要研究了具有能规避PLD法制备薄膜存在的粗糙问题的挡板式脉冲激光沉积法(SMPLD)所制备的CZTS薄膜的性能,同时在制备出CZTS薄膜之后研究刻蚀法这一薄膜后处理手段对薄膜性能的影响,随后制备了CZTS薄膜器件。具体内容如下:第一部分中研究了SMPLD法制备CZTS薄膜时的各项制备参数,之后采用挡板式脉冲激光沉积(SMPLD)制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜,通过各项性能表征,与普通脉冲激光沉积法(PLD)制备的样品进行对比分析,通过对比数据后发现在结晶程度大致相当的情况下,SMPLD制备的薄膜更加致密均匀,粗糙度下降了一个数量级。第二部分中,我们通过对文献的归纳,分析了CZTS薄膜中可能存在的二次相,并列出了这些二次相可能对CZTS薄膜及太阳电池造成的影响。而不同沉积方式制备的CZTS薄膜中的二次相伴随着元素比例不同有着相当的区别。我们根据紫外拉曼光谱(激发光源325nm波长)、X射线衍射谱等各项表征手段,确认本课题组采用PLD法制备的CZTS薄膜样品中主要存在的二次相为ZnS。随后采用湿化学刻蚀法以盐酸试剂(HCl)对二次相进行去除,研究了样品在刻蚀处理前后各个性能表征上的差异。在刻蚀后的样品表征中我们发现在浸泡盐酸后样品中的ZnS二次相含量大幅降低。在最后一部分中,我们分析了制备太阳电池中需要的各个膜层的性能要求,选择合适的制备参数,并进行了各个膜层的制备,包括:背电极层、缓冲层、窗口层和顶电极,基于前两章中的内容获得的性能良好的CZTS薄膜,实现CZTS薄膜太阳能电池器件制备,并对比不采用前两部分方法制备CZTS薄膜制备电池的各项性能以验证前两部分采用方法的有效性。最终通过对比制备出CZTS薄膜太阳能电池的参数,确认了前两部分方法能制备出性能更优秀的器件。并多次制作器件以验证其重复性,最终获得效率4.3%的CZTS薄膜太阳能电池。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4
【图文】：

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铜锌锡硫薄膜的制备、刻蚀及薄膜太阳能电池制备能电池综述电池，是通过利用材料自身具有的“光生伏特效应”（Photovoltaic 为电能的功能器件。“光生伏特效应”，即“光伏效应”（PV effect）产生光生电流的现象。太阳能电池其结构如图 1.2.1 所示。光伏效太阳能电池发展的实验基础。

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铜锌锡硫薄膜的制备、刻蚀及薄膜太阳能电池制备对太阳电池的深入研究，第三代太阳电池也进入了人们的视线转化效率，也为了降低器件制备成本，研究人员在材料性能，制量探究。于是，在第二代太阳电池的基础上又陆续的发展出一些子点太阳能电池，叠层太阳能电池，染料敏化太阳能电池等三代太阳电池，虽然理论上光电转换效率呈现出广阔的前景和备工艺等因素，目前仍处于实验室研究阶段。

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【参考文献】