溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫材料的研究进展

四元硫化物铜锌锡硫(CZTS)是一种新型薄膜太阳电池材料,具有锌黄锡矿结构,呈p型导电性,带隙约为1.5eV,光学吸收系数高于10~4cm^(-1),这些特性与太阳光谱相匹配。基于上述原因,CZTS薄膜是一种有望能低成本、可规模化开发利用的新型薄膜太阳电池材料。简要阐述了CZTS性质及其薄膜太阳能电池的器件结构,详细介绍了溶胶-凝胶方法制备CZTS薄膜及其相应器件效率的研究进展。最后,总结了此方法制备CZTS薄膜及其相关电池性能难以突破的关键技术问题,并提出了有效的改进措施,对CZTS薄膜太阳电池未来的研究进行了展望。

硫化时间对Cu_2ZnSnS_4薄膜结构和性能的影响

采用磁控溅射法顺序沉积Cu/Sn/ZnS/Cu/Sn/ZnS/玻璃金属预置层,在530℃经1.5、2.0、3.0 h硫化热处理制备Cu_2ZnSnS_4(CZTS)薄膜,研究硫化时间对CZTS薄膜性能的影响。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)等一系列测试设备对薄膜的结构、组分含量、表面形貌及光学带隙进行表征及计算。研究发现:由于前驱体中Cu_6Sn_5致密层的存在,硫化1.5 h时元素间反应不充分;随着热处理时间的增加,元素间反应更加充分,抑制薄膜中Sn元素的挥发,经2.0、3.0 h硫化热处理后的薄膜为单一CZTS相;同时,随着硫化时间的增加,CZTS薄膜的晶化程度提高,颗粒尺寸和禁带宽度增大。

硫化温度对铜锌锡硫薄膜特性的影响

采用预制膜硫化法制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜,分别在350,400,450,500,550℃进行硫化,研究了硫化温度对薄膜特性的影响。结果表明:硫化温度低于400℃时硫化反应基本上不发生,主要发生Cu6Sn5和Cu5Zn8两相中元素相互扩散的合金化过程,只有少量硫化物Sn3S4和ZnS生成;硫化温度为450℃时,合金相消失,硫化后的薄膜同时含有CZTS和SnS;硫化温度为500℃时薄膜的主要组成相为CZTS,其晶粒尺寸达2μm,但表面粗糙;硫化温度为550℃薄膜中CZTS晶粒尺寸约为2μm,表面平整。

n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-Cu_2ZnSnS_4太阳能电池光伏特性的分析

具有高光吸收系数的半导体Cu_2ZnSnS_4(CZTS)薄膜是一种新型太阳能电池材料.本文对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS结构的CZTS薄膜太阳能电池进行分析,讨论CZTS薄膜的掺杂浓度、厚度、缺陷态和CdS薄膜的掺杂浓度、厚度对太阳能电池转换效率的影响以及太阳能电池的温度特性.分析表明,CZTS薄膜作为太阳能电池的主要光吸收层,CZTS薄膜的掺杂浓度和厚度的取值对太阳能电池的转换效率有显著影响,CZTS薄膜结构缺陷态的存在会导致太阳能电池性能的下降.CdS缓冲层的掺杂浓度、厚度对太阳能电池光伏特性的影响较小.经结构参数优化得到的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS薄膜太阳能电池的最佳光伏特性为开路电压1.127 V、短路电流密度27.39 mA/cm^2、填充因子87.5%、转换效率27.02%,转换效率温度系数为-0.14%/K.