单靶溅射制备铜锌锡硒光吸收层的工艺及性能研究

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铜锌锡硒(Cu2ZnSnSe4,简写CZTSe)组成元素储量丰富、无毒,光吸收系数高(>104 cm-1),禁带宽度(Eg≈1 eV)与太阳光谱匹配,光学、电学性能优良,在电子薄膜器件领域具有广阔的应用前景。本文采用磁控溅射单一靶材制备CZTSe薄膜,系统研究了溅射及退火工艺对CZTSe薄膜结构及性能的影响,制备了CZTSe薄膜太阳能电池和忆阻器件,并对这两种电子器件的性能进行了详细分析。主要研究成果如下:1、系统研究了单靶溅射工艺参数如衬底温度、溅射功率、溅射气压对CZTSe薄膜性能的影响,结果表明:(a)衬底温度显著影响CZTSe薄膜的结晶质量,优化的溅射沉积温度为380℃,制备的CZTSe薄膜电阻均匀性高。(b)溅射功率能显著调控沉积薄膜的成分,功率密度与沉积速率基本线性关系。(c)随溅射气压增加,薄膜沉积速率先增大再减小,在1.0 Pa时沉积速率达到最大。2、系统研究了硒化退火对CZTSe薄膜性能的影响,结果表明:(a)前驱膜的结晶状态决定了退火后薄膜的性质,包括晶体结构及表面形貌,结晶质量差的前驱膜退火时容易分解。(b)用SnSe2粉作为硒源退火的效果优于Se粉,SnSe2能有效抑制退火时CZTSe薄膜的分解,改善其光电导性能。(c)用SnSe2作为硒源,CZTSe薄膜的优化退火温度为480℃,退火后薄膜表面平整致密,晶粒尺寸约为1μm,光电导变化率为28.1%,载流子浓度为8.20×1014 cm-3,迁移率为26.4 cm2·v-1·s-1。3、在优化CZTSe薄膜制备工艺的基础上,制备了CZTSe薄膜太阳能电池和忆阻器两种电子薄膜器件,获得的有益结果如下:(a)采用ITO/i-ZnO/CdS/CZTSe/Mo结构制得的CZTSe电池,光电转换效率为0.34%,开路电压为350 mV。(b)电池的短路电流较小(Isc=2.26 mA/cm2),可能原因是(1)串联电阻过大消耗了电流;(2)CZTSe薄膜是贫铜贫锌成分,内部有较高浓度的[2CuZn+SnZn]缺陷,增加了光生载流子的复合。(c)制备了室温下具有负微分电阻效应的忆阻器件,器件结构为Metal/CZTSe/Mo,忆阻器具有较大的开关比(RHRS/RLRS=215)、优异的稳定性和非易失性。(d)提出Cu导丝通断与肖特基发射协同模型,解释了忆阻效应与负微分电阻效应共存的原因。
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