铜锌锡硫太阳能电池材料与器件的研究

发布时间：2025-01-15 13:15

　　由于元素丰富并且无毒,Cu₂ZnSnS₄（CZTS）太阳能电池在过去十年中引起了广泛关注,并且在2018年,Chang Yan等人将纯CZTS太阳能电池的世界记录效率做到11%。普遍公认的最高效率的CZTSSe依然为12.6%。本论文主要针对铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄）太阳能电池的吸收层晶体和电池器件的制备工艺及性能开展了研究。利用共溅射方法和硫化退火工艺制作了CZTS吸收层材料。并对样品的晶体结构、表面形貌和光电特性等进行了测试与分析。主要研究了窗口层和CdS/CZTS界面的优化工艺,并且在镀Mo玻璃上生长了包含CBD-CdS/CZTS异质结的Cu₂ZnSnS₄电池器件。通过组份和界面的优化,得到了7.7%（全面积）和8.2%（有效面积）的转换效率。论文主要得到了以下结果:1.系统地研究了功率、压力、温度和时间四个关键溅射参数对射频磁控溅射制备掺铝氧化锌（AZO）薄膜电阻和透光率的影响。发现薄膜电阻对上述沉积参数极为敏感,而光学透过率却几乎保持不变的显著...

【文章页数】：158 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1.4.CZTS的惯用单胞结构:(a)锌黄锡矿结构,(b)黄锡矿结构。此图来自文献[20]。

KS结构是用于太阳能电池吸收层的最佳结构,ST结构是亚稳结构。经第一性原理计算可知,ST和KS两种晶体结构具有较小的形成能差值,大约为2.9meV/atom。由于两者的XRD衍射峰几乎重合,因而通常情况下硫化退火后的Cu2ZnSnS4内两种结构必然共存。由GGA/FP-LAPW计....

图1.5.锌黄锡矿和黄锡矿结构CZTS沿四个对称方向的电子能带结构图。此图来自文献[20]。

由GGA/FP-LAPW计算方法可以得到锌黄锡矿和黄锡矿结构的CZTS沿四个对称方向的电子能带结构。如图1.5所示,通过GGA+QP方法可以得到位于?点的锌黄锡矿和黄锡矿结构的CZTS带隙能分别为1.56eV和1.42eV,其与实验值基本一致。在锌黄锡矿结构中,?点具有S4点群对....

图1.6.CZTS和CZTSe的吸收系数????作为光子能量?的函数。此图来自文献[20]。

CZTS的熔点是1259K,在300K时的热导率为4.72/W?m-1?K-1。CZTSe的熔点是1075K,在300K时的热导率为4.3/W?m-1?K-1。CZTS和CZTSe均为P型半导体,迁移率分别为0.1～35cm2/Vs和1.6～39.7cm2/Vs,电阻率分别为3.....

图1.7.Cu-Zn-Sn-S体系的伪三元相图。红色五角星位置代表组分的最佳配比点,即Cu/Sn=1.6,Zn/Sn=1.05。绿色圆点代表Cu2SnS3相,黄色线界定Zn/Sn=0.67至1.2,蓝色线界定Cu/(Zn+Sn)=0.67至1。

在KS结构的Cu2ZnSn(Se,S)4晶体的合成过程中,需要对组分和退火工艺予以严格控制,以便使得产物处于较窄的单相区间。如图1.7所示,为了保证反应生成物的平衡点处在Cu2ZnSn(Se,S)4一侧,需要控制热/动力学条件,包括温度和易挥发性成分(S/Se和SnS(e))的分....

本文编号：4027444