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CZTS太阳能电池的缓冲层和功能层材料的制备

钟楚巍  
【摘要】:本论文研究了铜锌锡硫(CZTS)薄膜太阳能电池用功能层和缓冲层材料的制备。采用热注入法制备了CZTS的纳米粒子并制成墨水,通过涂布和旋转涂覆法制备了CZTS纳米晶薄膜,并在氮气气氛中于380℃对薄膜进行了退火处理,之后进行了硫化和硒化。通过XRD, SEM等测试表征手段做了研究,得到以下结论:从TEM、SEM和XRD可知,合成的纳米粒子直径7nm-15nm,具有高度的分散性。通过电子探针分析,Zn元素在合成中有一定的损失。从XRD和Raman光谱中,得出230℃是最佳的纳米粒子合成温度。退火可以提高结晶度,而硫化除了提高结晶度,也可以消除Cu4SnS4杂质相。硒化可以很大程度促进纳米粒子的结晶和杂质向CZTS晶体的转变。从SEM可以观察到,涂布后退火的薄膜会产生裂纹,而旋转涂覆法后烘干再退火的样品会产生气孔,旋转涂覆法后空气中干燥的薄膜质量良好。 同时,本文还研究了通过化学水浴沉积法(CBD)制备的均匀硫化镉(CdS)纳米晶薄膜,并考察了合成温度、合成时间和双层工艺对薄膜的影响规律。通过AFM、SEM、XRD等测试系统地探讨了薄膜的表面形貌、晶体结构、透过率和厚度特征。并从均相反应和异相反应的原理,解释了CdS的成膜机理和其对薄膜质量的影响。沉积温度为80℃,沉积时间为10min时,薄膜的质量最好。沉积温度太低或者沉积时间不足,会使得薄膜的覆盖性不高;而反应时间太久的话,会有团簇的颗粒附着造成薄膜粗糙松散。同时,利用第二次短时间的沉积可以显着增加膜厚度和结晶性并减少粗糙度。此控制薄膜厚度与表面均匀性的方法对于制备应用广泛的CdS薄膜具有重要的意义。 最后,本文采用化学水浴方法制备ZnS薄膜,考察了合成时间、柠檬酸钠和掺杂工艺、结晶基底和退火对薄膜的影响规律。SEM、XRD、紫外可见光谱仪和台阶仪等测试系统地探讨了薄膜的表面形貌、晶体结构、透过率和厚度特征。并解释了ZnS的成膜机理和实验现象。由于在50min之前,沉积反应处于诱导期,反应速度慢。而在大于70min以后,反应处于成熟期,所以选择60min作为沉积时间。柠檬酸钠对ZnS薄膜的性质影响不大,只能略微减少透过率,增加结晶度和表面平整度。硼酸的掺杂会产生自身的结晶,同时填补ZnS薄膜的空穴:而铝离子可以在溶液中水解并受热,并与胺形成配体,起到了缓释作用,促进离子吸附。结晶基底可以小幅度促进ZnS薄膜的结晶,并使得大颗粒的沉积有一定的取向性。500℃下退火1h,可以使得ZnS薄膜转变为ZnO,并提升表面平整度。


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