论文部分内容阅读
随着越来越严峻的能源危机，迫切需要发展低成本且高效率的太阳能电池。当前，最为成熟的CuInxGa1-xS(Se)2(CIGS)薄膜太阳能电池，光电转换效率已经超过20％。然而，由于镓和铟在地球上储量稀少，限制了其规模化的发展。Cu2SnZnS4(CZTS)是一种四元的P型半导体，具有两种结构为四方晶系和六方晶系。CZTS的带隙为1.4-1.6 eV，与太阳能电池的最佳带隙接近，光吸收系数高达104 cm-1，并且组成元素地球储量丰富，无毒，对环境污染小，因此是一种新兴的候选光吸收材料。在本论文中，我们采用热分解法，以廉价的无机金属盐和有机金属化合物为原料，使用高沸点溶剂，成功地制备了形貌可控和相结构可控的CZTS纳米颗粒，并探讨和分析了不同反应条件对产物的影响。同时，我们将合成的纳米晶制备成CZTS薄膜，考察和测试薄膜的光电性能，比较不同形貌和相结构的CZTS纳米颗粒对薄膜光电性能的影响。本论文主要工作包括以下几个部分: (1)在本论文中，采用简单的热分解法，使用油胺和十八烯溶剂，升华硫、正十二硫醇为硫源，乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌和五水四氯化锡为前驱体，制备CZTS纳米颗粒，并XRD和SEM对产物进行表征。通过调节油胺和十八烯的比例、温度、正十二硫醇的量等因素，控制CZTS纳米材料的质量。结果表明，硫源和温度对CZTS的相结构有重要影响。升华硫作为硫源时，产物通常为四方结构，正十二硫醇作为硫源时，产物通常为六方结构。产物的最佳温度为230～250℃，温度越高，四方相的CZTS越容易生成，产物越容易团聚。SEM分析表明正十二硫醇的量和油胺对产物形貌有着重要影响。正十二硫醇的量越多，产物的六方相越纯，颗粒形貌越均匀。当仅使用正十二硫醇为溶剂时，产物为片状的CZTS纳米颗粒。因此，我们成功地合成了四方晶系的球形、六方晶系的球形和片状单分散的CZTS纳米颗粒。最后，我们比较了不同形貌的CZTS颗粒的UV-Vis吸收光谱，并计算其禁带宽度，发现四方晶系球形纳米晶的禁带宽度为～1.4 eV，六方晶系球形纳米晶的禁带宽度为～1.4 eV，片状纳米晶的禁带宽度为～1.55 eV。 (2)使用喷射沉积法将合成的三种形貌的纳米颗粒制备CZTS光吸收层，通过使用不同温度下在5％H2S+95％N2的混合气下烧结，使用XRD和SEM考察烧结后薄膜的质量。结果发现，片状CZTS纳米颗粒制成的薄膜厚度薄，膜致密，明显优于球形的CZTS纳米颗粒制成的薄膜。最后，我们尝试将制备的CZTS薄膜，组装成简单的光电响应装置，使用I-V曲线测试薄膜在黑暗和光照下光电性能，探讨使用不同形貌的CZTS制备的薄膜对光电流的影响。实验结果表明，CZTS纳米片的光电性能明显优于纳米球。