铜锌锡硫和硫化亚锡薄膜的制备及其在太阳电池中的应用

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本论文采用水热法和溶液法分别制备了铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4, CZTS)和硫化亚锡(SnS)半导体材料粉体,再直接以其为源,利用真空热蒸发技术制备了相应的CZTS和SnS薄膜,并将其置于高纯N2气氛中,在不同的温度下进行了退火处理。使用X–射线荧光光谱仪(XRF)分析了所制备的CZTS和SnS半导体材料粉体的元素组成,通过X–射线能谱仪(EDS)、X–射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外–可见–近红外分光光度计(UV–Vis–NIR)、霍尔效应测试仪等表征测试,研究了退火温度对CZTS和SnS薄膜的元素组成、晶体结构、表面形貌、直接带隙以及电学性能等的影响。结果表明,所制备的CZTS和SnS半导体材料粉体的元素组成分别为Cu1.90Zn0.94Sn1.00S4.30和Sn1.00S1.11,均符合理想的化学计量比;采用真空热蒸发技术所沉积的CZTS和SnS薄膜均为非晶态,退火处理不仅能其使由非晶态转变为结晶态,还能拓宽它们的光吸收范围。随着退火温度的升高,CZTS薄膜的结晶性变好,且在(112)晶面方向上择优生长;当退火温度达到350℃时,CZTS薄膜的表面出现了部分脱落现象;其直接带隙经退火处理后,也会由于结晶性的变好而从退火前的1.87eV,分别降低到200℃退火的1.57eV,300℃退火的1.55eV和350℃退火的1.37eV。而对于所制备的SnS薄膜,由XRD的结果和EDS的数据分析可知,其主要成分为Sn2S3;当退火温度达到300℃时,开始出现氧化的现象;当退火温度到400℃时,已基本被氧化成SnO2。综合CZTS和SnS薄膜的各项性能表征结果可知,在300℃进行退火处理的CZTS薄膜较适合用来进行电池器件的组装,经霍尔效应测试,其导电类型为p-型。所组装的结构为FTO/CdS/CZTS/Al的薄膜太阳电池器件,在AM1.5和100mW·cm-2光强条件下,获得了0.36%的光电转换效率。
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