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Cu_2SnS_3薄膜太阳能电池的制备与性能研究

王亚光  
【摘要】:由于化石能源的储量有限及其使用过程中带来的环境问题,世界各国将目光投向可再生的新型能源,太阳能发电被认为最有可能取代化石能源。由于硅基材料高度复杂的提纯工艺,无机化合物薄膜类太阳能电池逐渐吸引了研究者的注意。某些无机化合物属于直接带隙半导体且具有更大的吸光系数,因此吸收层厚度只需要微米级别。砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒(CIGS)、铜锌锡硫(CZTS)等无机薄膜太阳能电池近些年来得到了巨大发展,均达到了较高的转换效率,其中CIGS的转化效率已经超过了 20%。在Cu族的化合物体系中,人们发现其中一种三元化合物铜锡硫(Cu2SnS3,CTS)所具备的一些性能,如P型导电、合适的带隙宽度(0.8-1.7eV)、高的吸光系数(104-105cm-1)和载流子迁移率等,也适合用作吸光材料,且其所含组份更少,在组份调节上相较四元化合物更有优势,因此这种新型半导体材料具有极大的研究潜力。本文主要基于寻求制备这种新型三元化合物薄膜太阳能电池的新方法,发展了三种CTS薄膜的制备工艺,并对相关电池性能进行了探索。首先,我们在第一章对太阳能电池的发展历史和原理作了简要介绍,并对CTS薄膜太阳能电池的研究现状和存在问题进行了综合分析,最后提出本文的研究课题和相应研究内容。在第二章中我们利用化学水浴法(CBD)制备了 Cu/SnS的叠层前驱体,并对后期硫化过程进行了探究。尤其着重利用快速升温退火(RTP)研究了 CBD制备的叠层前驱体在硫化过程中的反应机理和生长机制。表层单质铜率先与硫蒸气反应生成铜的硫化物,在300-400℃时与底层的SnS反应生成四方相的CTS。同时,四方相的CTS在430℃发生相变,转变成单斜相的CTS并维持到600℃,表明单斜相的CTS为高温稳定相。为了提高CBD的原料利用率,第三章基于CBD方法中的粉体沉淀,利用刮刀法将剩余粉体进行涂膜,制备CTS薄膜。将沉淀在瓶底的Cu20和SnS粉体收集清洗、离心并干燥后溶于乙醇和氨水的混合溶剂中,长时间搅拌得到粘稠浆料。将前驱膜在一定的压强下进行致密化处理后得到表面光滑平整的薄膜,随后我们对硫化参数进行探索,发现在600℃保温20 min的条件下得到了致密平整的薄膜,且晶粒尺寸也达到微米级。最后在第四章中详细介绍了利用激光脉冲沉积(PLD)溅射混合氧化物靶材制备CTS太阳能电池的方法。经研磨、锻烧得到的SnO2和CuO粉体在高温炉中烧结得到CTO靶材。PLD溅射时间对于薄膜厚度和形貌有巨大影响,太短的沉积时间会使薄膜太薄,导致高温下开裂。硫化温度对CTS薄膜太阳能电池的性能密切相关,550℃以上才出现光伏响应,电池的转换效率随着硫化温度上升而增加,在600℃达到最佳的0.69%。温度的升高虽然有利于短路电流的提升,但是会导致开路电压的降低,交流阻抗的结果显示,600℃条件下电池的并联电阻降低,结合扫描电镜结果,表明高温下薄膜出现的孔洞构成了漏电回路,导致开路电压降低。


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