论文部分内容阅读
铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）太阳能电池性能优异,器件日益成熟,但由于铟元素（In）的稀缺以及镉元素（Cd）对环境的污染,亟待开发出一种元素储量丰富且对环境友好的替代品。铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳能电池因其组成元素地球储量丰富,价格低廉,制备工艺简单且容易实现大面积商业化应用等优点,逐渐引起广泛关注。CZTS半导体材料的禁带宽度为1.5 eV,与最优化光谱吸收相匹配;其光吸收系数大(?>104 cm-1),仅需要1μm厚度薄膜即可吸收足够光子能量,所以非常适合替代CIGS作为吸光层。然而CZTS组分容忍度和单晶区域很小,存在二次相和元素分解等问题,所以很难制备得到单相的CZTS薄膜,目前CZTS薄膜器件的最高转换效率为12.6%,远低于约32%的理论效率,进一步提升空间较大。本文尝试以水相法制备CZTS薄膜吸光层,并组装太阳能电池器件,为后续喷墨打印器件奠定基础。以水为溶剂,分别制备铜、锌、锡、硫的前驱体溶液并合成CZTS纳米颗粒墨水,后续经过旋涂成膜,硒化处理等过程,制备出高质量的CZTS薄膜。本文还对CZTS薄膜太阳能电池结构中的CdS缓冲层和AZO（Aluminum-doped zinc oxide）窗口层的制备进行研究,并组装CZTS薄膜太阳能电池器件。主要内容如下:（1）CZTS纳米颗粒墨水的合成与薄膜的制备:以水为溶剂,引入一种Sn-Mcc（Sn-metal chalcogenide complexes）基团,通过带电基团之间的静电作用合成稳定的CZTS墨水,后续经过旋涂成膜,并优化热处理过程中的硒化参数（硒化时间和硒化温度）制备出高质量的CZTS（Se）薄膜吸光层。（2）化学浴沉积法制备CdS缓冲层:本文采用化学浴沉积法（CBD）制备CZTS薄膜太阳能电池的CdS缓冲层,研究了沉积时间和溶液的pH值对CdS薄膜的影响,通过XRD、SEM和AFM等方法对样品进行分析表征,最终得到优化的制备参数。（3）磁控溅射法制备AZO窗口:本文采用磁控溅射法制备CZTS薄膜太阳能电池的AZO窗口层,研究了溅射时间和溅射功率对于AZO薄膜的影响,通过SEM、XRD、AFM和四探针测试仪等方法对样品进行分析表征,最终得到优化的制备参数。（4）电池器件的制备与性能表征:本论文采用Mo玻璃/CZTS（Se）吸光层/CdS缓冲层/ZnO/AZO窗口层/Al栅电极的器件结构组装电池,电池的有效面积为0.16cm2,初步得到可工作的光伏器件。总之,本文以一种操作简单、成本低廉、对环境亲和的制备方法制备出可工作的CZTS薄膜太阳能电池,为今后大面积商业化应用奠定基础。