铜锌锡硒薄膜太阳能电池研究

【摘要】：Cu_2ZnSnSe_4半导体材料作为一种新型的薄膜太阳能电池的吸收层，因其是一种直接带隙宽度为1.0eV、光吸收系数大于104cm-1和具有优良的光电效应的P型材料而被广泛的研究。近几年来Cu_2ZnSnSe_4薄膜太阳能电池发展迅速，目前已达到10.1%的光电转换效率，为了减少铜锌锡硒薄膜太阳能电池的生成成本，需要开发一种非真空的薄膜制备方法。电化学沉积法、化学浴法和溶胶凝胶法都是一种基于溶液体系的非真空制备方法，因其具有成本低廉、环境友好、操作简单、成分可控和可大面积沉积等优点而有良好的应用前景。然而在衬底上一步电化学沉积和溶胶凝胶多种元素制备预制膜的时候还存在很多问题，因此必须调节电解液中的溶液配比和pH以使预制膜中的成分符合化学计量比。太阳能电池由背接触层、吸收层、缓冲层、窗口层和Ni/Al电极组成，本文以Cu_2ZnSnSe_4半导体材料作为太阳能电池的吸收层制备铜锌锡硒薄膜太阳能电池。为此本论文的主要研究工作如下： （1）采用直流磁控溅射法制备电池的背接触层Mo层，在9.0×10-4Pa的真空环境下通入氩气至1.1Pa，功率30W溅射9分钟；接着调节气压为0.5Pa，功率90W溅射8分钟制备的双层Mo结构，其结构、附着力和导电性能优良。 （2）研究一步电沉积Cu-Zn-Sn-Se预制膜再硒化制备Cu_2ZnSnSe_4薄膜材料的方法。通过配制了7种不同浓度和pH值的电解液来沉积Cu_2ZnSnSe_4，研究发现当电解液中Cu：Zn：Sn：Se=3:70:20:3，pH为1.6时沉积的预制膜经过550度硒气氛下硒化得到符合化学计量比、无杂相的锌黄锡矿结构的Cu_2ZnSnSe_4薄膜。研究了不同配比制备的样品中的杂相，从而初步确定Cu_2ZnSnSe_4薄膜的生长的机理。 （3）研究了溶胶凝胶制备Cu-Zn-Sn预制膜的技术，优化前驱液的配比，在17mL乙二醇甲醚和3mL乙醇胺混合溶液中加入8mmol乙酸锌、18mmol乙酸铜和10mmol二氯化锡配制成前驱液，制备的预制膜在550度硒化后制备出纯净的Cu_2ZnSnSe_4薄膜。通过在不同的衬底上沉积制备Cu_2ZnSnSe_4，研究发现预制膜硒化后在Cu_2ZnSnSe_4和Mo的界面上并没有产生杂相MoSe2。 （4）研究了化学水浴法制备CdS薄膜的结晶机制。发现使用醋酸体系沉积的CdS薄膜表面致密。研究射频磁控溅射本征ZnO薄膜、直流磁控溅射AZO薄膜和蒸镀Ni/Al电极工艺。组装了溶胶凝胶法制备的吸收层CZTSe的SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO/Ni/Al薄膜太阳能电池，其转换效率为0.296%。 【关键词】：Cu_2ZnSnSe_4 太阳能电池 电化学沉积 溶胶凝胶法 磁控溅射
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 致谢9-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1. 引言15-16
• 1.2. 太阳能电池发展史16-17
• 1.3. 太阳能电池种类17-18
• 1.4. 太阳能电池工作原理18-20
• 1.4.1. 光生伏特效应18-19
• 1.4.2. 太阳能电池的 I-V 曲线19-20
• 1.5. 铜锌锡硫硒（CZTSSe）薄膜太阳能电池20-23
• 1.5.1. 铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池的发展20-22
• 1.5.2. 铜锌锡硒太阳能电池器件的结构22-23
• 1.6. 本论文的研究工作23-24
• 第二章 背电极 Mo 和缓冲层 CdS 的制备24-31
• 2.1. 衬底的选择和清洗24-25
• 2.2. 背电极的选择和制备25-28
• 2.2.1. 背电极的选择25
• 2.2.2. Mo 层的制备25-26
• 2.2.3. Mo 层的表征26-28
• 2.3. CdS 制备工艺28-30
• 2.3.1. 化学浴制备 CdS 的反应机理28-29
• 2.3.2. 化学浴制备 CdS 的实验过程和结果分析29-30
• 2.4. 本章小结30-31
• 第三章 铜锌锡硒吸收层制备和表征31-53
• 3.1. 电化学沉积法制备铜锌锡硒及结果分析31-42
• 3.1.1. 引言31
• 3.1.2. 一步电化学沉积 Cu_2ZnSnSe_4预制膜31-34
• 3.1.3. 铜锌锡硒预制膜硒化处理34-35
• 3.1.4. 电沉积铜锌锡硒表征分析35-40
• 3.1.5. 铜锌锡硒的生成机理研究40-42
• 3.2. 溶胶凝胶法制备铜锌锡硒薄膜42-52
• 3.2.1. 引言42
• 3.2.2. 溶胶凝胶法制备铜锌锡硒薄膜42-43
• 3.2.3. 溶胶凝胶制备的铜锌锡硒结果分析43-46
• 3.2.4. 不同硒化温度对溶胶凝胶制备 Cu_2ZnSnSe_4的影响46-52
• 3.3. 本章小结52-53
• 第四章 铜锌锡硒薄膜太阳能电池器件53-57
• 4.1. 窗口层本征氧化锌和掺铝氧化锌制备53
• 4.2. 镍铝电极53-55
• 4.3. 铜锌锡硒薄膜太阳能电池的制备55-56
• 4.4. 本章小结56-57
• 第五章 全文总结和展望57-59
• 5.1. 全文总结57
• 5.2. 展望57-59
• 参考文献59-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文和成果65-67

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