射频磁控溅射法制备Cu2ZnSnS4薄膜

利用射频磁控溅射法在玻璃基片上制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜,薄膜在室温下生长,再在Ar气氛中快速退火。通过X射线衍射、X射线电子能谱、原子力显微镜和吸收谱研究了退火温度对薄膜结构、组分、形貌和禁带宽度的影响。结果表明,所制备样品为Cu2ZnSnS4多晶薄膜,具有较强的沿(112)晶面择优取向生长的特点,薄膜组分均为富S贫Cu,样品表面形貌比较均匀。退火温度为350,400,450和500℃的薄膜样品的禁带宽度分别是1.49,1.53,1.51和1.46 eV。

具有可见光增强芬顿活性的Ⅱ型2D/2D Cu2ZnSnS4/Bi2WO6异质结（英文）

高级氧化工艺(AOPs)是一种处理有机污染物的极具吸引力的技术.大量的前期研究工作集中在通过芬顿反应(Fenton)降解有机污染物.然而,芬顿反应需要在酸性条件下进行,必须在其过程中进行预处理.同时,反应后产生的含铁污泥需要进一步处理以满足排放要求,从而限制了芬顿反应的发展.作为另一种AOPs,光催化技术因反应条件温和、操作简单和选择性好等优点受到广泛关注.研究表明,各种铁基和铜半导体光催化材料形成光-芬顿(Photo-Fenton)系统,可有效解决芬顿反应中高价金属离子/低价金属离子的循环问题.为了充分利用芬顿氧化技术和光催化氧化技术在降解有机污染物方面的各自优势,构建具有宽太阳光谱响应的新型光芬顿催化剂具有重要意义.由于其独特的层状结构和优越的有机物光催化性能,Bi2WO6作为结构最为简单的钙钛矿型层状氧化物,其禁带宽度为2.6-2.8 eV,可响应可见光,已成研究最多的光催化材料之一.研究表明,将Bi2WO6与合适的助催化剂耦合以构建异质结是提高光生载流子分离效率、拓宽Bi2WO6可见光响应范围的一种有效策略.在众多的窄带隙半导体助催化材料中,Cu2ZnSnS4作为一种p-型窄带隙半导体,可以响应可见光甚至近红外光.近年来,已经广泛报道了Cu2ZnSnS4可以作为与其他半导体光催化剂进行结合以提高光催化活性的有效助催化剂.在本文中,新型Cu2ZnSnS4/Bi2WO6(CZTS/BWO)异质结构通过简单的二次溶剂热法构建.异质结的成功形成得到了一系列表征方法的证实,比如XPS和HR-TEM.光催化活性结果表明,制备的CZTS/BWO异质结对有机污染物的降解具有优异的光催化性能,特别是当CZTS相对于异质结中BWO的质量分数为2%时.此外,加入过氧化氢(H2O2)可进一步提高染料和抗生素的降解效率.增强的光催化和光芬顿降解性能主要是由于BWO的引入,其提供了更多的活性位点,扩展了太阳光谱响应范围并加速了Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的循环.催化剂的催化活性在经过四次循环实验后并没有显著降低.最终我们合理假设了光催化和光-芬顿催化机理.本项研究可为设计新型光-芬顿催化剂提供新的视角,即共同利用光催化活性和芬顿活性进行废水中残留有机物的净化.

用于太阳电池吸收层的Cu2ZnSnS4薄膜的制备及其光电特性

采用真空蒸镀技术在钠钙玻璃衬底上蒸镀Cu/Sn/ZnS前驱体,在氮气保护下,硫化制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜.运用X射线衍射仪(XRD)、Hall效应测试仪、紫外-可见光(UV-VIS)分光光度计对样品进行了表征分析,研究了前驱体中预计原子比对CZTS薄膜的晶体结构及光电特性的依赖关系.通过对蒸发源Cu的质量的控制与微调,获得了具有单一相类黝锡矿结构的CZTS薄膜,其对可见光的光吸收系数大于104cm-1、光学禁带宽度约为1.51eV,薄膜的电阻率、载流子迁移率和载流子浓度分别为1.46Ω·cm,4.2cm2/(V·s)和2.37×1018cm-3,适合作为薄膜太阳电池的吸收层.

Cu2ZnSnS4纳米片的两步法制备及其光学性能

先后利用化学气相沉积法和液相离子交换法,在FTO导电玻璃基底上两步法制备Cu_2ZnSnS_4(CZTS)纳米片,并通过X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDS)和紫外-可见吸收光谱仪(UV-vis)等表征手段对所得样品的物相结构、微观形貌、化学组分及光学性能进行测试分析。研究结果表明,所得样品为四方晶型CZTS纳米片,对可见光具有良好的全波段吸收,经计算其禁带宽度约1.51 eV。此外,对CZTS纳米片的形成机理进行初步探讨。

磁控溅射Sn/Cu/ZnS预置层后硫化法制备Cu2ZnSnS4薄膜及其性能研究

采用磁控溅射法制备Sn/Cu/ZnS金属预置层,结合硫化热处理制备Cu2ZnSnS4薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱仪（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外-可见分光光度计（UV-VIS）和霍尔测试系统等一系列测试方法对样品结构、各组分含量、表面形貌、光学带隙及电学性能进行表征及计算。研究结果表明Sn/Cu/ZnS金属预置层经490和540℃硫化热处理后的薄膜均为单一Cu2ZnSnS4相,其中,540℃硫化热处理后的薄膜结晶度较高,且薄膜表面平整致密,禁带宽度约为1.58 eV,呈现P型导电。

循环沉积次数对Cu2ZnSnS4薄膜结构和性能的影响

采用磁控溅射法沉积Cu/Sn/ZnS和Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS两种沉积次数不同的预置层薄膜材料,结合后硫化热处理制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)薄膜,研究了不同循环沉积次数对CZTS薄膜结构和性能的影响。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见分光光度计(UV-VIS)等研究了薄膜的结构、表面形貌以及薄膜各组分含量和禁带宽度。结果表明:沉积单个周期的Cu/Sn/ZnS预置层薄膜经550℃硫化后的薄膜为单相CZTS薄膜,化学组分接近理想化学计量比,表面颗粒致密且均匀,禁带宽度约为1.47 eV;沉积3个周期的Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS预置层薄膜550℃硫化后的化学组分与理想化学计量比相差较远,表面颗粒不均匀。对于沉积时间较长的CZTS薄膜,单个周期沉积的薄膜相对3个周期沉积的薄膜更适合作为CZTS太阳能电池吸收层。

周期性前驱体的预硫化处理对Cu2ZnSnS4薄膜的影响

Cu2ZnSnS4薄膜具有组成元素来源丰富、吸收系数高等优点,是理想的薄膜太阳能电池吸收层材料。采用磁控溅射法沉积周期性金属叠层前驱体,再进行两步硫化处理制备出Cu2ZnSnS4薄膜,分析第一步硫化(即预硫化)对Cu2ZnSnS4薄膜特性的影响。结果表明,预硫化处理可促进前驱体的硫化反应。经过预硫化处理的Cu2ZnSnS4薄膜的结晶度优于未进行预硫化处理的Cu2ZnSnS4薄膜。当预硫化温度为350℃时,增加预硫化时间有利于硫化反应的进行,并抑制Sn元素损失,但过长的预硫化时间导致Cu2ZnSnS4薄膜中易出现二次相,影响薄膜的特性。预硫化温度350℃、预硫化时间10 min的Cu2ZnSnS4薄膜结晶度最优,薄膜组分具有贫Cu、富Zn特性,且薄膜表面无孔隙。

化合物半导体Cu2ZnSnS4太阳电池与人工光合作用制氢

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,将成为未来新能源的重要组成部分.目前人们除了利用太阳能光伏发电以外,还有利用仿生光合作用将太阳能转化为化学能、利用半导体光电极分解水制氢等方式.而在半导体材料中,低成本环保型的化合物半导体光伏材料(如Cu2ZnSnS4等)具有优良的光伏发电性能,同时也非常适合作为太阳光分解水制氢的材料.文章综述了近年来在Cu2ZnSnS4光伏电池及其太阳光分解水制氢领域的研究进展.

一种具有减反射性能的Cu2ZnSnS4太阳能电池透明导电氧化物薄膜

通过研究一种新型透明导电氧化物薄膜(transparent conductive oxide,TCO)的减反射作用,探索增加入射光进入Cu2ZnSnS4(CZTS)太阳能电池从而提高太阳能电池效率的新途径.在AM1.5光照条件下,设计了一种在宽波长范围内具有更好的减反射性能的TCO薄膜,即SiO2/ZnO减反射TCO薄膜(antireflective transparent conductive oxide,ATCO).为了衡量300-800 nm波长范围内的减反射效果,引入了有效平均反射率方法(effective average reflectance,EAR)进行测算.为充分考虑折射率色散的影响以及TCO,ATCO薄膜与有源层的耦合,本文采用多维光学传输矩阵对各关键材料层的耦合及膜厚进行了优化,以准确衡量最优的减反射效果.最后,通过比较常规CZTSSC和ATCO-CZTSSC的减反射性能,得到了新型ATCO膜,可以有效地减少光损耗并提高光电转换效率的结论.

电化学沉积法制备Cu2ZnSnS4薄膜电池

采用简单的两电极电化学沉积金属薄膜技术,在镀钼的钠钙玻璃衬底上共沉积Cu-Sn层后,再沉积Zn金属层,制备出Cu-Sn-Zn金属预制层。在不同的温度下进行低温退火后,以硫粉作为硫源高温硫化金属预制层,制备出晶体质量较好的Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对薄膜的晶体结构、表面形貌和薄膜组分进行分析表征,发现共沉积Cu-Sn层,再沉积Zn金属层得到的CZT预制层表面平整但晶粒尺寸较小,经过退火处理后晶粒尺寸得到改善,且硫化后所得到的CZTS薄膜不易从Mo衬底上脱落,粘附性较强。用其制备的CZTS薄膜太阳电池的开路电压Voc=569mV,短路电流密度Jsc=8.58mA/cm2,光电转换效率为1.40%。

六方相Cu2ZnSnS4量子点在钙钛矿太阳能电池中作为空穴传输层性能研究

采用热注入方法成功合成了六方纤锌矿结构Cu_2ZnSn S_4(CZTS)量子点,并使用XRD和TEM对其晶体结构表征,采用UV-vis光谱测量不同尺寸CZTS量子点的光学禁带宽度。发现基于具有1.81 e V带隙的6.7 nm CZTS量子点组装钙钛矿太阳能电池光电转换效率达到6.5%,与基于spiro-Me OTAD的器件相当(8.0%)。量子转换效率图谱显示在波长680 nm处量子转换效应有明显提升,提高了器件的短路电流和光电转换效率。本研究结果为组装简单廉价的钙钛矿太阳能电池提供新方向。

退火工艺对滴涂法制备的Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响

采用滴涂法将Cu2ZnSnS4（CZTS）纳米墨水制成薄膜,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。首先,采用乙醇作为溶剂、三乙醇胺作为分散剂,将微波液相合成的水性CZTS纳米颗粒配成纳米墨水,并采用滴涂法将纳米墨水制成CZTS薄膜。其次,为了提高薄膜的结晶性,将制备的CZTS薄膜在氮气气氛下进行退火处理,研究了退火温度与退火时间对薄膜形貌、成分及物相结构的影响。研究结果表明,随着退火时间的延长,薄膜中的Cu2-xS杂相逐渐消失,薄膜的结晶性和致密性逐渐提高;随着退火温度的增加,薄膜的结晶性与致密性也有所提高。在500℃下退火30 min,所制备的CZTS薄膜不存在杂质相,且表面较为均匀致密。

无硫化过程磁控溅射制备Cu2ZnSnS4薄膜及其结构和光学性质研究

使用Cu2ZnSnS4(CZTS)靶材,通过射频磁控溅射方法镀膜,不经后期硫化处理,在钠钙玻璃衬底上沉积了锌黄锡矿结构的CZTS薄膜材料。在薄膜的沉积过程中,衬底温度分别为300,400和500℃。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散X射线光谱仪和紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜样品的微观形貌、晶体结构、元素成分、光学性质等进行了研究。分析讨论了衬底温度对样品的表面形貌、晶体结构、化学成分、光吸收系数和禁带宽度的影响关系。结果表明,在衬底温度为500℃条件下沉积得到的CZTS薄膜样品,具有较好的锌黄锡矿晶体结构,晶粒大小为23 nm,光吸收系数在可见光范围内高于1×104cm-1,禁带宽度为1.49 eV。

μc-3C-SiC用作Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池缓冲层的数值研究

Cu2ZnSnS4(CZTS)太阳能电池是一种低成本环保型的具有巨大发展潜力的新型薄膜太阳能电池。主要对用μc-3C-SiC材料作为CZTS太阳能电池的缓冲层进行了数值研究,发现μc-3C-SiC材料能够显著改善CZTS电池的蓝光光谱响应,提高电池的转换效率。另外,μc-3C-SiC材料没有毒性,具有钝化CZTS表面缺陷以及使用较厚的μc-3C-SiC缓冲层可以不需本征ZnO层等优点,使得μc-3C-SiC成为一种很有应用前景的CZTS薄膜太阳能电池的缓冲层材料。

H,Cl和F原子钝化Cu2ZnSnS4(112)表面态的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了Cu_2ZnSnS_4体相的晶格结构、能带、态密度及表面重构与H,Cl和F原子在Cu_2ZnSnS_4(112)表面上的吸附和钝化机理.计算结果表明:表面重构出现在以金属原子Cu-Zn-Sn终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上,并且表面重构使表面发生自钝化;当单个H,Cl或F原子吸附在S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上时,相比于桥位(bridge)、六方密排(hcp)位和面心立方(fcc)位点,三种原子均在特定的顶位(top)吸附位点表现出最佳稳定性.当覆盖度为0.5 ML时,无论H,Cl还是F原子占据Cu_2ZnSnS_4(112)表面的2个顶位均具有最低的吸附能.以S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面在费米能级附近的电子态主要由价带顶部Cu-3d轨道和S-3p轨道电子贡献,此即表面态.当H,Cl或F原子在表面的覆盖度达0.5 ML时,费米能级附近的表面态降低,其中H原子钝化表面态的效果最佳,Cl原子的效果次之,F原子的效果最差.表面态降低的主要原因在于吸附原子从S原子获得电子致使表面Cu原子和S原子在费米能级处的态密度峰几乎完全消失.

Zn(1-x)MgxO/Cu2ZnSnS4异质结薄膜太阳能电池的仿真研究

铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳能电池通常采用的缓冲层材料为有毒的半导体CdS,本文以禁带宽度可调且无环境污染的Zn(1-x)MgxO代替CdS。采用SCAPS-1D仿真软件,分析了Zn(1-x)MgxO/CZTS异质界面能带带阶、Zn1-xMgxO缓冲层材料载流子浓度和厚度对电池输出性能的影响。研究结果表明:当Zn(1-x)MgxO/CZTS异质界面导带带阶为0.1 eV、Zn(1-x)MgxO缓冲层材料载流子浓度为10^(18)cm^(-3)、厚度约50 nm时,能够获得最高效率的Zn(1-x)MgxO/CZTS薄膜太阳能电池。

Cu元素比例对Cu2ZnSnS4薄膜光电性能的影响

采用溶胶-凝胶法,以金属醇盐和硫脲为原料,并将乙二醇甲醚为溶剂在玻璃衬底上制备不同Cu组分比例的Cu2ZnSnS4薄膜材料,通过金相显微镜进行观察。结果表明:Cu元素摩尔比为1.8、1、9时,薄膜表面颗粒分布较为均匀,最强吸光度为0.23A、透射比为80.86%。随着Cu比例的增大,载流子浓度逐渐升高,迁移率和霍尔电压降低,最大载流子浓度和迁移率分别为3.87×10^17/cm^3和3.58×10^2cm^2/V.S,霍尔电压最大值为12mV,Cu元素比例增加后,CZTS薄膜结晶质量变差,电阻率减小。

ZnS溅射功率对Cu2ZnSnS4薄膜附着性及太阳电池性能的影响

采用不同ZnS溅射功率,在钠钙玻璃(SLG)衬底上依次溅射Mo、ZnS、SnS及Cu,退火后制备出Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜。研究了溅射功率(50~140W)对ZnS薄膜和CZTS薄膜的微观形貌、微结构以及附着性的影响。结果表明,不同功率溅射的ZnS薄膜为(008)择优取向的纤锌矿六方晶系结构;功率较低时,ZnS薄膜结晶质量较差;随着功率从50 W增加到140 W,ZnS薄膜内的压应力增加了一个数量级;ZnS溅射功率低于80 W或高于110 W时,退火后的CZTS薄膜发生龟裂甚至脱落;ZnS溅射功率在80~110 W时,退火后CZTS薄膜表面均匀平整;110 W溅射后的CZTS薄膜出现较多的孔洞和二次相。采用80 W功率溅射ZnS薄膜制备的CZTS/CdS太阳电池,开路电压达到572 mV,短路电流密度为14.23 mA/cm^2,光电转换效率为3.34%。

Cu2ZnSnS4纳米粒子的水热合成及其光催化性能研究

以易获取的氯化铜、氯化锌、氯化亚锡等无毒材料为原料,采用水热合成法制备得到Cu_2ZnSnS_4纳米粒子。并采用XRD、SEM分析了不同反应温度和硫源对Cu_2ZnSnS_4纳米粒子的晶相结构、显微形貌的影响,并以降解罗丹明B为模型,研究了Cu_2ZnSn S_4纳米粒子的光催化性能。研究表明:在180℃下使用Na_2S为硫源反应12 h所得的产物为形貌均一的多晶Cu_2ZnSnS_4纳米粒子;在该条件下制得的产物降解20 mg/L罗丹明B时,在LED灯光照150min后其光催化效率达到98%以上且降解过程中逐步脱乙基生成4种中间产物。

液相法制备Cu2ZnSnS4纳米颗粒及其表征(英文)

以乙酰丙酮铜醋酸锌氯化亚锡S粉为前驱体!通过热注入法合成制备出了Cu_2ZnSnS_4纳米颗粒(CATS)。此方法是指将低温溶液注入高温溶液,伴随成核与晶体生长过程。本文研究了不同反应温度对纳米颗粒生长的影响。XRD测试结果表明制备的CZTS纳米颗粒为锌黄锡矿结构。透射电镜结果显示所制备的纳米颗粒为六边形状,其尺寸大小约为10 nm。紫外-可见吸收光谱经计算可知,所得纳米晶的禁带宽度约为1.5 eV,接近光伏材料最佳值。