銅鋅錫硒（Cu₂ZnSnSe₄,CZTSe）薄膜作為一種四元化合物半導(dǎo)體材料,由于其為p型直接帶隙半導(dǎo)體材料（Eg≈1.0eV）,并且組成薄膜的元素在地殼中含量豐富以及擁有較高的吸收系數(shù)(>10⁴cm^-1)的特點(diǎn)而被廣泛的研究。但是,其效率還遠(yuǎn)低于理論效率（>30%）。其中限制CZTSe薄膜太陽電池效率提升的因素主要?dú)w結(jié)于界面復(fù)合較為嚴(yán)重、其禁帶寬度相對較小以及結(jié)晶質(zhì)量較差,進(jìn)而造成較低的開路電壓(V_oc)和填充因子（FF）。針對上述提出的限制CZTSe薄膜光電轉(zhuǎn)換效率提升的因素進(jìn)行研究,擬采用同族陽（Ge）、陰（S）離子替代方法來突破這個(gè)瓶頸。首先采用射頻磁控濺射硫化物靶和單質(zhì)靶相結(jié)合的方式制備銅鋅錫硫（Cu₂ZnSnS₄,CZTS）預(yù)制層,經(jīng)過低溫退火和高溫硒化處理得到CZTSe吸收層,研究Ge摻入不同位置對薄膜的成膜質(zhì)量的影響,確定最佳Ge的摻入位置。為了確定Ge元素在CZTSe薄膜中的最佳擴(kuò)散深度,研究了在Mo層中... 

【文章來源】：云南師范大學(xué)云南省

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Cu2ZnSnS4的化學(xué)勢相圖

擴(kuò)散、p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散。n區(qū)的電子離開后，留下了不可動的帶正電荷的電離施主，所以在n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了電離施主構(gòu)成的正電荷區(qū)，相反，在p區(qū)留下不可動的帶負(fù)電荷的電離受主，所以在p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離受主構(gòu)成的負(fù)電荷區(qū)。正、負(fù)電荷區(qū)構(gòu)成空間電荷區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生內(nèi)建電場，內(nèi)建電場方向由n區(qū)指向p區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下載流子做漂移運(yùn)動，而電子和空穴的漂移運(yùn)動方向與他們的擴(kuò)散運(yùn)動方向相反，隨著載流子運(yùn)動的增強(qiáng)，擴(kuò)散運(yùn)動產(chǎn)生的擴(kuò)散電流和漂移運(yùn)動產(chǎn)生的漂移電流逐漸達(dá)到平衡，pn結(jié)無電流流過，達(dá)到平衡pn結(jié)狀態(tài)，如圖1.2所示（a）。而從pn結(jié)的能帶圖（圖1.2b）中可以看出，無光照時(shí)，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級處于同一位置。當(dāng)光線照射在太陽電池時(shí)（如圖1.3），只要光子能量大于n型或者p型半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，這部分光子就會分別被這兩種半導(dǎo)體材料吸收，并將其價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生光生載流子（電子空穴對）。由于入射光強(qiáng)度隨傳播距離呈現(xiàn)存在指數(shù)衰減，即0IIexpx1故在太陽電池中單層半導(dǎo)體材料從太陽照射面至背表面產(chǎn)生的光生載流子濃度呈現(xiàn)遞減過程，而光生載流子的濃度差導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。當(dāng)光生載流子擴(kuò)散至pn結(jié)附近時(shí)，由于內(nèi)建電場的作用下，n區(qū)產(chǎn)生的光生空穴漂移至p區(qū)，光生電子被阻擋在n區(qū)；p區(qū)產(chǎn)生的光生電子漂移至n區(qū)，光生空穴被阻擋在p區(qū)，這樣情況下，n區(qū)的電子數(shù)量越來越多，電勢降低，p區(qū)的空穴數(shù)量越來越多，電勢升高，導(dǎo)致pn結(jié)兩端形成光生電動勢，再外接上負(fù)載時(shí)，在持續(xù)光照條件下，就有電流不斷流過電路。圖1.2(a)熱平衡pn結(jié)的狀態(tài)圖(b)平衡pn結(jié)時(shí)能帶圖Fig.1.2(a)thestatediagramofp-njunctionunderthermalequilibrium(b)banddiagramofp-njunctionunerthermalequilibrium

第一章緒論51.3銅鋅錫硒基薄膜太陽電池的介紹1.3.1銅鋅錫硒薄膜的性質(zhì)I2-II-IV-VI4四元化合物CZTSe作為一種p型直接帶隙半導(dǎo)體材料，其帶隙1.0eV左右。CZTSe和CZTSSe的晶體結(jié)構(gòu)與CZTS相似，均為鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)，利用同族替代元素Se完全和部分替代S得到的。實(shí)際上，CZTS材料的晶體結(jié)構(gòu)包括兩種：鋅黃錫礦(kesterite)和黃錫礦(stannite)結(jié)構(gòu)，兩種晶體結(jié)構(gòu)的不同僅在于Cu和Zn在面心立方晶格中的排布不同，但利用第一性原理計(jì)算證明在鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)中的材料能量最低，故具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS比黃錫礦結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[21]，而且SusanSchorr用中子散射和Rietveld分析證明Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4都是鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)[22]，因此在制備CZTS吸收層過程中通常為鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)。用鋅黃錫礦CZTS做說明，如圖1.4（a）所示，CZTS晶體結(jié)構(gòu)中每一個(gè)陰離子（S）分別與4個(gè)陽離子（2個(gè)Cu離子、1個(gè)Zn離子和1個(gè)Sn離子）相結(jié)合，同時(shí)，每一個(gè)陽離子與4個(gè)陰離子相結(jié)合形成四面體配位。鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)中的CuSn，CuZn，CuSn，CuZn分別在Z=O，1/4，1/2，3/4上交替排列的，屬于14對稱的空間群[22,23]。獲得高轉(zhuǎn)換效率的CZTS薄膜太陽電池通常偏離化學(xué)計(jì)量比：Cu/(Zn+Sn)≈0.8～0.95以及Zn/Sn≈1.1～1.25，達(dá)到組分比例為貧銅富鋅的條件，減少薄膜中雜相生成，以獲得具有較高的轉(zhuǎn)換效率的CZTS薄膜太陽電池圖1.3太陽電池工作原理示意圖Fig.1.3theschematicdiagramofsolarcell

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]太陽能電池材料-銅鋅錫硫化合物薄膜制備及器件應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 范勇,秦宏磊,密保秀,高志強(qiáng),黃維.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2014(06)
[2]Ge-SiO2薄膜的XPS研究[J]. 葉春暖,湯乃云,吳雪梅,諸葛蘭劍,余躍輝,姚偉國.  微細(xì)加工技術(shù). 2002(01)
[3]光生伏特效應(yīng)[J]. 陳宜生,張立升.  物理通報(bào). 1995(02)

博士論文
[1]多元半導(dǎo)體及其合金的第一性原理計(jì)算研究[D]. 陳時(shí)友.復(fù)旦大學(xué) 2009

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



本文編號：3098557