【摘要】：Cu_2ZnSn(S,Se)_4(CZTSSe),作為銅基多元硫硒化合物家族中的一員,由于具有較高的吸收系數(shù),合適的光學(xué)帶隙等優(yōu)良的光電性能,以及組成元素在地殼中儲量豐富被認(rèn)為是非常有潛力的薄膜太陽能電池的吸收層材料。目前,CZTSSe基薄膜太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率為12.6%,與理論上的最高效率32.8%相距甚遠(yuǎn)。效率過低的主要原因之一是吸收層中高濃度的Cu_(Zn)反位缺陷,會引起開路電壓(V_(oc))損耗,限制開路電壓的提高。CZTSSe為p型導(dǎo)電的半導(dǎo)體,大量的Cu_(Zn)反位缺陷,尤其是吸收層與CdS緩沖層界面處高濃度的Cu_(Zn)反位缺陷,會引起費(fèi)米能級釘扎現(xiàn)象,使CZTSSe/CdS界面不能有效的實(shí)現(xiàn)從p型到n型導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變。致使能帶彎曲變小,造成開路電壓損耗。因此,抑制Cu_(Zn)反位缺陷的形成,是提高開路電壓有效途徑。Cu_(Zn)替位缺陷的形成主要是由于Cu離子和Zn離子半徑相近,致使Cu_(Zn)形成能很低。一種方式可以通過在CZTSSe薄膜中摻雜離子半徑與Cu離子和Zn離子差距較大的元素,來抑制Cu_(Zn)反位缺陷,以增大開路電壓和提高器件效率。此外,CZTS(e)/CdS異質(zhì)結(jié)的能帶排列不是最佳的類型,這也極大的限制了器件效率的提升。因此,合理地改變CZTSSe晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu),是進(jìn)一步提高CZTSSe薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率有效途徑。針對上述問題,本論文通過把Ag引入CZTSSe吸收層,形成銅銀鋅錫硫硒[(Cu_(1-x)Ag_x)_2ZnSn(S,Se)_4,CAZTSSe]合金,來改變CZTSSe晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu),以抑制Cu_(Zn)反位缺陷的形成,提高CZTSSe太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。并試圖尋找一種更合適的新型吸收層材料,來代替CZTSSe薄膜,取得的研究成果如下:一、結(jié)合簡單的溶液法和硒化熱處理技術(shù),制備了不同Ag組分的(Cu_(1-x)Ag_x)_2ZnSn(S,Se)_4(0≤x≤0.25)合金薄膜(以下簡記為CAZTSSe),系統(tǒng)研究了不同Ag含量對C_(1-x)A_xZTSSe合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量、帶隙和電學(xué)性質(zhì)等影響。結(jié)果表明,Ag~+等價替代了Cu~+,形成了CAZTSSe(0≤x≤0.25)合金薄膜。Ag摻雜可以有效的促進(jìn)CZTSSe薄膜晶體的生長,增加晶粒尺寸。通過調(diào)節(jié)Ag組分,可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)CAZTSSe合金薄膜的帶隙。通過優(yōu)化Ag的組分,制備了以C_(1-x)A_xZTSSe合金薄膜為吸收層的太陽電池,使效率從3.39%(CZTSSe太陽電池)的提高到6.04%,并研究了Ag提升CAZTSSe電池性能的機(jī)制。二、本文通過溶膠-凝膠法,在較低的溫度下,成功制備出了高質(zhì)量的Ag_2ZnSn(S,Se)_4(AZTSSe)薄膜。通過優(yōu)化硒化熱處理?xiàng)l件,制備出組分上貧鋅/富錫/富硒的、單一相的鋅黃錫礦(kesterite)結(jié)構(gòu)的AZTSSe薄膜,其導(dǎo)電類型為n型,帶隙為1.4 eV,載流子濃度為5.7×10~(15) cm~(-3),遷移率為9.1 cm~2V~(-1)s~(-1)。在此基礎(chǔ)上,我們設(shè)計(jì)了一種帶有AZTSSe反型層太陽電池:在CZTSSe吸收層與CdS緩沖層之間插入n型的AZTSSe吸收層的反型層。相較于傳統(tǒng)的CZTSSe器件,插入AZTSSe修飾層后器件的開路電壓V_(oc)明顯提高95 mV,器件效率也從3.40%提高到了4.72%。三、為了更好的理解插入AZTSSe層后,CZTSSe器件效率升高的機(jī)制,我們通過第一性原理計(jì)算了CZTSe/AZTSe和CZTSe/CdS異質(zhì)結(jié)的能帶排列。第一性原理計(jì)算表明,CZTSe/AZTSe異質(zhì)結(jié)能帶排列為II型,CZTSe/CdS異質(zhì)結(jié)的能帶排列為I型,AZTSe/CdS比CZTSe/CdS有更大的能帶偏移,AZTSe層的插入會加大吸收層和緩沖層之間的能帶彎曲。因此,開路電壓的提高主要是由于插入AZTSe層后能帶彎曲的增加。結(jié)合第一性原理,詳細(xì)闡述了插入AZTSe層后對CZTSSe器件各方面性能的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明插入AZTSe層可以有效提高CZTSSe器件的開路電壓和器件效率。四、采用溶液法和后硫化的方法制備了不同Cd摻雜濃度的Cu-Sn-S-Cd合金預(yù)制膜,得到了Cd在Cu_2SnS_3的固溶體(CTS:Cd)以及Cu_2CdSnS_4(CCTS)薄膜,研究了不同Cd含量和硫化處理對Cu-Sn-S-Cd合金薄膜的形貌、光學(xué)性質(zhì)等性能的影響機(jī)制。得到如下結(jié)論:對于制備的Cu-Sn-S-Cd合金預(yù)制膜,立方相結(jié)構(gòu)的Cu_2SnS_3相(C-CTS)的帶隙為0.82 eV;通過調(diào)節(jié)Cd含量可以實(shí)現(xiàn)帶隙在1.03~1.26 eV之間的調(diào)節(jié)。硫化可以實(shí)現(xiàn)C-CTS相向四方相的CTS(T-CTS)相轉(zhuǎn)變,當(dāng)Cd含量為7.30~13.54 at%時,硫化促進(jìn)了T-CTS:Cd相向CCTS相的轉(zhuǎn)變。當(dāng)Cd的摻雜含量為10.18~13.54 at%時,可以形成帶隙為1.37 eV的結(jié)晶質(zhì)量良好的單相CCTS薄膜,是太陽能電池吸收層的合適材料。改變Cd含量和后硫化處理可以改變CTS薄膜的結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)光學(xué)帶隙并改善晶體質(zhì)量。通過優(yōu)化原子比和選擇合適的硫化條件可以制備出單一相的C-CTS:Cd、T-CTS:Cd或CCTS薄膜。
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，已經(jīng)商業(yè)化的硅基、銅銦鎵硒和碲化鎘太陽能電池面臨著原料稀缺和制備成本高缺點(diǎn)；新興的鈣鈦礦太陽能電池目前成為太陽能電池研究界越來越多的課題組投入巨大的人力、物力開展鈣鈦礦太陽能電池的研太陽能電池盡管在電池效率上高歌猛進(jìn)，但是極差的穩(wěn)定性是研究者們的難題。理想的太陽能電池材料需要吸光層滿足廉價、無毒、高效和穩(wěn)，尋找一種合適的半導(dǎo)體吸收層目前是薄膜太陽能電池研究領(lǐng)域的重要[9]。

（a）太陽能電池工作原理示意圖，，（b）實(shí)際太陽能電池等效電路圖
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TM914.42

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5 申勇 ,黃寧康 ,王明華;用直流磁控濺射淀積司太立合金薄膜[J];四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);1988年01期

6 黃立基,柳百新,丁菊仁,李恒德;鎳基合金薄膜中的分形生長[J];物理學(xué)報;1988年09期

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8 宛德福,胡用時,李佐宜;非晶Tb-Gd-Co合金薄膜特性研究[J];華中理工大學(xué)學(xué)報;1989年06期

9 程建邦,鄭德娟,歐通桃,郝貢章;X射線熒光光譜法非破壞測定二元合金薄膜的成分[J];物理;1982年01期

10 顏心良;王江涌;;二元合金薄膜的表面偏析[J];真空;2012年04期

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2 方昭訓(xùn);鄭文凱;賴思宇;戴明滙;;共o鷵M沉zM堼P檼7-

本文編號：2649032