【摘要】：銅錫硫(Cu_2SnS_3,CTS)薄膜材料由于成分無毒,元素含量豐富及較高的吸收系數(shù)(10~4cm~(-1)),元素比例易調(diào)控等優(yōu)點,很適于用作薄膜太陽電池的吸收層。目前,報道的CTS薄膜太陽電池的最高轉(zhuǎn)化效率僅為4.63%,遠(yuǎn)低于理論效率的30%。主要的問題在于適合用于制備器件的單斜結(jié)構(gòu)的CTS薄膜帶隙較低(1eV),限制了器件開路電壓的提升。另一方面,CTS薄膜一般具有很高的載流子濃度,這也一定程度上限制了器件的轉(zhuǎn)化效率。本文采用同族陽離子替代法,在CTS薄膜中摻入同族的Ge替代部分的Sn元素得到銅錫鍺硫(Cu_2Sn_x Ge_(1-x)-x S_3,CTGS)薄膜材料。并提出分別采用射頻磁控濺射金屬單質(zhì)靶(Sn/Ge/Cu)及單質(zhì)靶與合金靶(SnGe/Cu)相結(jié)合的方法制備了不同的CTG薄膜預(yù)制層,后續(xù)對預(yù)制層進(jìn)行高溫硫化后得到CTGS薄膜吸收層。本文重點研究了不同硫化工藝對CTGS薄膜品質(zhì)的影響及Ge的含量對CTGS薄膜的影響。通過優(yōu)化工藝,得到結(jié)晶質(zhì)量良好、組分分布較優(yōu)且均勻致密的CTGS薄膜。最后將上述兩種方法制備的吸收層薄膜制備出完整的CTGS薄膜太陽電池,并得到了一定的光電轉(zhuǎn)化效率。本論文主要的研究內(nèi)容如下:(1)采用磁控濺射金屬單質(zhì)靶Ge、Sn、Cu制備CTG薄膜預(yù)制層,并對預(yù)制層進(jìn)行高溫硫化得到CTGS薄膜,研究了不同的Ge摻入量及硫化工藝(硫化溫度及硫化時間)對薄膜特性的影響。最后在確定最佳Ge含量與硫化工藝條件下改變Ge的摻入位置,探究Ge在預(yù)制層中的不同位置對成膜的質(zhì)量影響。(2)采用射頻濺射SnGe合金靶及單質(zhì)Cu靶的方法制備CTG薄膜的預(yù)制層,并對預(yù)制層進(jìn)行高溫硫化獲得CTGS吸收層薄膜,同樣重點研究了硫化工藝的不同溫度及時間對薄膜特性的影響。(3)對上述兩種預(yù)制層制備的CTGS薄膜進(jìn)行比較分析,具體在于晶體質(zhì)量、表面和截面特征等的差異性比較。(4)將上述的兩種預(yù)制層制備的CTGS薄膜運(yùn)用于太陽電池中,研發(fā)了完整結(jié)構(gòu)為Mo/CTGS/CdS/i-ZnO/AZO/Al的CTGS薄膜太陽電池,并比較研究了不同的吸收層薄膜對器件性能的影響。本文的相應(yīng)研究結(jié)果如下:(1)在確定最佳的Ge含量約為10%后,將純金屬CTG預(yù)制層在530℃,550℃及570℃的溫度下分別進(jìn)行15和20min的硫化實驗,對比研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在550℃的溫度下保持15min進(jìn)行硫化,獲得的CTGS薄膜具有較好的結(jié)晶度,且薄膜表面平整致密,晶粒尺寸較大,各元素組分符合最佳的化學(xué)配比;若硫化溫度低于550℃,制備的CTGS薄膜出現(xiàn)較多雜相,且薄膜表面較粗糙,晶粒大小不均;而當(dāng)硫化溫度高于550℃,由于Sn元素?fù)p失嚴(yán)重,薄膜的表面及截面分布上出現(xiàn)大量空洞。同時,Ge在上部摻入會導(dǎo)致元素比例失調(diào)較為嚴(yán)重且存在雜相;Ge在中部摻入,晶體質(zhì)量得到了明顯改善;在最底部摻入能提高了薄膜的表面形貌特征及電學(xué)性質(zhì)。(2)將合金靶(SnGe)及單質(zhì)靶(Cu)結(jié)合制備的CTG預(yù)制層在530℃,550℃及570℃的溫度下分別進(jìn)行15和20min的硫化實驗。研究結(jié)果表明:當(dāng)硫化溫度為550℃,時間保持20min得到的CTGS樣品晶體質(zhì)量較好,薄膜表面平整致密,且晶粒尺寸較大。同時,當(dāng)硫化溫度為530℃以及采用硫化溫度550℃保持15min的硫化工藝條件下獲得的CTGS薄膜硫化不充分,存在雜相Cu_2S,且薄膜表面較為粗糙,晶粒尺寸小;當(dāng)硫化溫度高于550℃時,薄膜中Sn損失嚴(yán)重,較長的硫化時間20min時導(dǎo)致薄膜發(fā)生了熱分解反應(yīng),雜相再次生成。(3)對采用兩種不同預(yù)制層制備高質(zhì)量的CTGS薄膜進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)單質(zhì)靶制備的CTGS薄膜晶粒尺寸明顯大于SnGe/Cu預(yù)制層制備的CTGS薄膜,電學(xué)性質(zhì)相對SnGe/Cu預(yù)制層制備的CTGS也較好,載流子數(shù)目也有所降低。另外,通過EDS分析發(fā)現(xiàn),合金靶源制備的CTGS薄膜在高溫硫化過程中錫元素的損失更嚴(yán)重。(4)金屬單質(zhì)靶預(yù)制層制備的CTGS薄膜太陽電池最高光電轉(zhuǎn)換效率為2.82%;SnGe/Cu預(yù)制層制備的CTGS薄膜太陽電池的效率2.97%。
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

第 1章 緒論組成原料在地殼中豐富，該材料具有資源豐富、不含毒性成分從而對環(huán)境友好、原材料成本低等優(yōu)點，目前已知的 CTGS 薄膜太陽電池的最高轉(zhuǎn)化效率為 6.7%，高于母體CTS薄膜器件的最高轉(zhuǎn)化效率4.63%[23]，這也說明了CTGS 相比于CTS薄膜太陽電池的優(yōu)越性，并有望成為新一代薄膜太陽電池的最佳選擇之一，發(fā)展?jié)摿薮蟆?

1.3 銅錫硫（Cu2SnS3）及銅錫鍺硫（Cu2Sn1-xGexS3）薄膜及太陽電池的介紹1.3.1 銅錫硫及銅錫鍺硫薄膜的相互關(guān)系及材料特性根據(jù)不同的制備工藝能夠得到不同晶體結(jié)構(gòu)的 CTS 薄膜材料，目前已知CTS 薄膜的晶系主要受工藝溫度的調(diào)控，低溫（小于 550℃）下獲得的為有序，單斜晶系（0.93eV）[25]；再到中等溫度（550-775℃）為部分有序，四角晶系（1.35eV）[26]；最后為高溫（大于 775℃）下的無序狀態(tài)，立方晶系（1.15eV）[27]。CTGS薄膜是在 CTS 的基礎(chǔ)上摻入同族的 Ge 元素替代部分的 Sn元素衍生而來的一種新型化合物半導(dǎo)體。CTS 作為一種導(dǎo)電類型為 P 型的直接帶隙化合物半導(dǎo)體，由于適合制備薄膜太陽電池的單斜結(jié)構(gòu) CTS 帶隙偏低且目前為止制備出來的CTS 薄膜太陽電池轉(zhuǎn)化效率一直較低，因此，在 CTS 薄膜中摻入少量的 Ge 取代了部分 Sn 原子，隨著 Ge 含量的增加使得禁帶寬度變大（0.93-1.56eV）[28]，

1.3 銅錫硫（Cu2SnS3）及銅錫鍺硫（Cu2Sn1-xGexS3）薄膜及太陽電池的介紹1.3.1 銅錫硫及銅錫鍺硫薄膜的相互關(guān)系及材料特性根據(jù)不同的制備工藝能夠得到不同晶體結(jié)構(gòu)的 CTS 薄膜材料，目前已知CTS 薄膜的晶系主要受工藝溫度的調(diào)控，低溫（小于 550℃）下獲得的為有序，單斜晶系（0.93eV）[25]；再到中等溫度（550-775℃）為部分有序，四角晶系（1.35eV）[26]；最后為高溫（大于 775℃）下的無序狀態(tài)，立方晶系（1.15eV）[27]。CTGS薄膜是在 CTS 的基礎(chǔ)上摻入同族的 Ge 元素替代部分的 Sn元素衍生而來的一種新型化合物半導(dǎo)體。CTS 作為一種導(dǎo)電類型為 P 型的直接帶隙化合物半導(dǎo)體，由于適合制備薄膜太陽電池的單斜結(jié)構(gòu) CTS 帶隙偏低且目前為止制備出來的CTS 薄膜太陽電池轉(zhuǎn)化效率一直較低，因此，在 CTS 薄膜中摻入少量的 Ge 取代了部分 Sn 原子，隨著 Ge 含量的增加使得禁帶寬度變大（0.93-1.56eV）[28]，

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 郝華麗;劉文富;;太陽能電池效率的影響因素分析[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2015年12期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陸熠磊;磁控濺射合金靶制備銅鋅錫硫（CZTS）薄膜太陽電池[D];云南師范大學(xué);2018年

本文編號：2767675