【摘要】：薄膜太陽能電池因其效率高、可柔性和成本低等優(yōu)點(diǎn),引起了科研人員的廣泛關(guān)注。其中銅鋅錫硫硒(CZTSSe)薄膜太陽能電池因其原料儲量豐富、安全無毒、理論光電轉(zhuǎn)換效率高和光吸收系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最具有廣闊應(yīng)用前景的光伏材料之一。采用磁控濺射法制備出的薄膜平整均勻且操作過程可程序化,更適用于大面積工業(yè)化生產(chǎn)。在實(shí)驗(yàn)室研究中,磁控濺射法制備的CZTSSe薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到12.3%。由于CZTSSe薄膜太陽能電池存在著嚴(yán)重的開路電壓損耗,導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低,不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。CZTSSe光吸收層的薄膜質(zhì)量、界面的能級匹配程度和材料的缺陷類型及濃度等都對器件的開路電壓有著重要的影響和作用。銅鋅錫硒(CZTSe)吸收層作為太陽能電池的核心組成部分,其結(jié)晶質(zhì)量和光學(xué)帶隙直接決定著器件的光電性能。一方面,當(dāng)薄膜元素組分為貧銅富鋅時(shí)(Cu/(Zn+Sn)≈0.8、Zn/Sn≈1.2),吸收層中Cu_(Zn)反位深能級缺陷的生成能夠得到有效抑制,制備出的電池器件具有良好的光電性能;如果光吸收層薄膜的晶粒尺寸過小,晶界數(shù)量增多。會導(dǎo)致光生電子-空穴對在晶界處的復(fù)合幾率增加,復(fù)合損失加大,開路電壓損耗嚴(yán)重。此外,薄膜結(jié)晶質(zhì)量也會影響到與鉬背電極之間的接觸特性。當(dāng)光吸收層底部存在較厚的小顆粒層時(shí),會造成內(nèi)部載流子在背電極附近嚴(yán)重的復(fù)合損失;另一方面,CZTSe材料光學(xué)帶隙大約為1.0 eV,而對于光伏材料而言,1.5 eV是較為理想的光學(xué)帶隙,可以保證對太陽光的高效吸收和利用。因此對于發(fā)展高效的CZTSe器件而言,在優(yōu)化高質(zhì)量CZTSe吸收層的同時(shí),尋求一種新的可有效調(diào)控其帶隙的方法,對于提高CZTSe電池器件的開路電壓至關(guān)重要。針對上述問題,本論文以磁控濺射法為基礎(chǔ)工藝,以制備高質(zhì)量的CZTSe吸收層及其性能優(yōu)化為目的,展開一系列的研究。首先,探索優(yōu)化了磁控濺射法制備預(yù)制層及后硒化技術(shù)方案的基礎(chǔ)工藝條件,使CZTSe器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.8%。在此基礎(chǔ)上,通過Se-Sb_2Se_3共硒化的方法將銻元素?fù)诫s到CZTSe吸收層中,有效改善了CZTSe吸收層的結(jié)晶質(zhì)量,減小了器件的開路電壓損耗,將器件光電轉(zhuǎn)換效率提高到9.6%;為進(jìn)一步優(yōu)化CZTSe吸收層的帶隙,通過低溫硫化的方法調(diào)節(jié)S/(S+Se)比例,拓寬吸收層的帶隙,進(jìn)一步提高器件的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。具體研究內(nèi)容如下:1、CZTSe薄膜太陽能電池的磁控濺射法優(yōu)化。首先采用磁控濺射銅、錫和鋅金屬靶材制備Cu/Sn/Zn預(yù)制層,然后通過后硒化的方法制備CZTSe吸收層。通過對CZTSe薄膜表征分析發(fā)現(xiàn):薄膜中的晶粒較小且存在較厚的小顆粒層,器件效率僅為3.7%。隨后通過兩步硒化工藝改善薄膜的質(zhì)量:發(fā)現(xiàn)在合金化過程中部分硒粉已經(jīng)進(jìn)入金屬預(yù)制層,不僅促進(jìn)了單層金屬間的融合,抑制內(nèi)部不良缺陷的產(chǎn)生,而且彌補(bǔ)了后硒化過程中硒元素的不足;后經(jīng)高溫退火處理,CZTSe薄膜的晶粒尺寸明顯增大,小顆粒層的厚度明顯減小;最終制備的電池器件達(dá)到了7.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。2、銻硒共硒化對CZTSe薄膜太陽能電池性能的影響。探究了Cu/Sn/Zn預(yù)制層在Se和Sb_2Se_3共同退火下對CZTSe薄膜結(jié)晶質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)在Se和Sb_2Se_3定量的條件下,高溫階段退火溫度為560℃時(shí)薄膜晶粒較大、器件性能較好;隨后研究了在相同的退火溫度下,不同Sb_2Se_3用量對CZTSe吸收層薄膜的物相結(jié)構(gòu)、結(jié)晶質(zhì)量、銻元素含量分布和器件性能的影響。通過分析表征:當(dāng)Sb_2Se_3為30 mg時(shí),材料的結(jié)構(gòu)和光學(xué)帶隙沒有發(fā)生明顯改變;小晶粒層的厚度明顯減小,吸收層結(jié)晶質(zhì)量最佳,電池器件效率最高達(dá)到9.6%。3、低溫硫化對CZTSSe薄膜太陽能電池性能的影響。采用低溫退火處理的方式直接引入硫元素,以精確調(diào)控S/(S+Se)比例、優(yōu)化吸收層帶隙和增大器件的開路電壓。分析了不同S/(S+Se)比對CZTSSe材料的結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)晶質(zhì)量和器件性能的影響。發(fā)現(xiàn)加入硫元素后CZTSSe材料的XRD衍射角向大角度偏移,吸收層的結(jié)晶質(zhì)量略有降低,但是其光學(xué)帶隙明顯增大,從而有效地將電池器件的開路電壓提高到480 mV。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

使其未來產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用有了更大的發(fā)展空間。CIGS 薄膜太陽能電池的制備方法相同，同樣分為真空法和非膜均勻性良好，并且較容易大面積制備以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。序化、易于調(diào)控元素組成、設(shè)備及環(huán)境要求低，成為產(chǎn)業(yè)化生TSe 薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)及研究現(xiàn)狀ZTSe 薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)TSe 材料中的各個組成元素為地殼豐產(chǎn)元素，被認(rèn)為是最有 CIGS 薄膜太陽能電池的光伏材料。其電池基本結(jié)構(gòu)基本沿圖 1-1 是 CZTSe 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

制備的 Mo 層電極厚度在 700-900 nm 左右。Mo 在起到引出空穴電流的作用。TSSe 吸收層作為光學(xué)器件的核心結(jié)構(gòu)，CZTSSe 是在圖 1-2 黃銅礦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)元素 Zn 和 Sn 替代形成的 I2-II-IV-VI4結(jié)構(gòu)的材料。其作為 P 型隨 S 元素含量的變化其帶隙在 1.0~1.5 eV 連續(xù)可調(diào)，薄膜厚度料的反應(yīng)形成過程可用三個反應(yīng)方程式(1.1~1.3)表示[13]，首先是應(yīng)形成相應(yīng)的二元硒化物（如 1.1 式所示）；然后這些二元化合物物（如 1.2 式所示），最后再形成 CZTSSe（如 1.3 式所示）。因?yàn)樵嗪腿嘈纬�，如果在反�?yīng)結(jié)束時(shí)這些多元相還未形成 CZ些雜相大部分會成為器件的載流子復(fù)合中心，損耗電池的開路電換效率降低。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 趙嘉學(xué),童洪輝;磁控濺射原理的深入探討[J];真空;2004年04期

本文編號：2727303