Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池材料的制备和性能研究

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四元半导体化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)与目前的研究热门CuIn1-xGaxSe2(CIGS)具有相似的晶体结构,都可以作为薄膜太阳能电池的光吸收层材料。由于CZTS不含稀有和有毒元素,被普遍认为是有望替代价格昂贵的CIGS最佳材料之一,己成为目前薄膜太阳电池领域的研究热点。CZTS是直接禁带半导体材料,其光吸收系数达到了104cm-1,禁带宽度约为1.5eV,很接近单结太阳能电池所需要的最佳禁带宽度。这些特点使其成为了一种很有潜力的新型太阳能电池吸收层材料。本文先使用固相反应法制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)粉体材料,然后将制备出的粉体材料压制成单一相的CZTS四元化合物靶材,在钠钙玻璃衬底上通过射频溅射沉积方法得到了CZTS薄膜,在空气气氛中以400℃退火,得到单相的锌黄锡矿结构CZTS薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对样品的微观形貌和晶体结构进行了表征,采用紫外-可见-近红外分光光度计(岛津UV3600)和能谱仪(EDS)对样品的光学性能和元素成分进行了测试分析。研究了各个实验参数对样品的表面形貌、晶体结构、光吸收系数、禁带宽度和化学成分等性能的影响关系。研究结果表明:使用固相反应法在热处理温度高于500℃时,得到的CZTS粉体材料结构为典型的锌黄锡矿晶体结构,禁带宽度为1.45eV,SEM照片显示样品粒径为50μm的粉体。该材料压制的CZTS靶材,通过射频磁控溅射生长了CZTS薄膜,不需要硫化处理即可得到锌黄锡矿结构的CZTS薄膜材料。EDS测量结果表明在CZTS薄膜生长过程中会损失少量的Cu元素,研究结果表明,随着溅射气压的降低,CZTS薄膜的结晶性较好,并且禁带宽度随着溅射气压的降低在1.41.5eV之间逐渐增加,薄膜的光吸收系数均高于1×104cm-1,这表明所制备的CZTS薄膜材料达到了太阳能电池光吸收层材料的要求。
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