Cu2ZnSnS4薄膜太阳电池的制备与光伏性能关系的研究

针对Cu2ZnSnS4（CZTS）薄膜的制备还未直接以廉价的CZTS材料为源，普遍通过相应金属或其硫化物的多层薄膜在含硫的气氛中高温退火来形成，且只能依照玻璃/Mo/CZTS/CdS/透明导电薄膜/金属栅电极的结构次序来构建太阳电池，制备过程繁琐、成本高的研究现状，本项目将以新生成的CuS、ZnS、SnS为原料，按化学计量比先进行球磨混合再经高压水热处理来制备CZTS粉体，采用真空热蒸发和磁控溅射法沉积CZTS薄膜，避免使用含硫气氛中的高温退火操作；利用化学浴法在F:SnO2导电玻璃（FTO）上沉积CdS薄膜；研究CZTS和CdS薄膜的制备与后处理对其组成、微结构和物理性质的影响，揭示这二者与太阳电池光伏性能之间的关系，获得简单新颖结构FTO/CdS/CZTS/金属背电极的太阳电池，丰富化合物薄膜太阳电池的理论与实践，发展能低成本、规模化开发利用的新型太阳电池，具有重要的理论和应用价值。

本项目针对Cu2ZnSnS4（CZTS）薄膜的制备还未直接以廉价的CZTS材料为源，普遍通过相应金属或其硫化物的多层薄膜在含硫的气氛中高温退火来形成，且只能依照玻璃/Mo/CZTS/CdS/透明导电薄膜/金属栅电极的结构次序来构建太阳电池，制备过程繁琐、成本高的研究现状，重点围绕CZTS半导体材料粉体的制备，CZTS薄膜的真空热蒸发、脉冲激光、磁控溅射法沉积，以及新结构导电玻璃FTO/n-CdS/p-CZTS/金属背电极的CZTS薄膜太阳电池组装三个方面开展了系统的研究工作，明确了相关材料、薄膜、器件的制备、组成、微结构、界面与性能之间的关系，掌握了符合化学计量比、纯相、不含有机物、廉价、能批量生产的CZTS半导体材料粉体的制备与质量控制技术，获得了真空热蒸发、脉冲激光、磁控溅射法沉积CZTS薄膜以及新结构CZTS薄膜太阳电池组装过程的关键技术参数；所制备CZTS半导体材料粉体的化学组成为Cu : Zn : Sn : S = 1.90 : 0.94 : 1.00 : 4.30，组装的结构为FTO/n-CdS/p-CZTS/Al的薄膜太阳电池，其短路电流密度为1.76 mAcm-2、开路电压为0.493 V、填充因子为0.42、光电转换效率为0.36 %。此外，还初步探讨了CZTS薄膜的热解法制备及其作为量子点敏化太阳电池对电极、CZTS 半导体材料各组成元素的价态、n-SnS2薄膜作为化合物薄膜太阳电池常用窗口层n-CdS薄膜的替代品等内容；发现热解法制备的CZTS薄膜的界面传输电阻只有18.55 Ω，而热解法制备的铂黑电极的界面传输电阻为950 Ω，组装的CdS/CdSe量子点敏化太阳电池，热解法制备CZTS薄膜对电极的短路电流密度为13.33 mAcm-2、开路电压为0.52 V、填充因子为0.45、光电转换效率为3.14 %，而铂黑对电极的短路电流密度为13.38 mAcm-2、开路电压为0.51 V、填充因子为0.34、光电转换效率为2.32 %。项目顺利完成了申请书和计划书中的研究内容和研究计划，达到了预期目标，相关结果对丰富化合物薄膜太阳电池的理论与实践，发展能低成本、规模化开发利用的新型太阳电池，具有重要的理论和应用价值。