铜锌锡硫薄膜太阳电池材料及新型窗口层的制备和光电特性研究

四元化合物铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，简称CZTS），因其具有优异的光电特性、又不含地球稀缺的元素In和Ga、环境友好等优点有望成为第三代薄膜太阳电池的理想吸收层材料。本项目以物理气相沉积方法在钠钙玻璃上制备含有Cu/Zn/Sn三元合金的前躯体，采用气相硫化方法制备CZTS薄膜。通过调整前躯体的沉积参数与后硫化工艺参数来控制薄膜中各种元素的化学配比，研究ZnS/BZO作为窗口层增加光吸收的机理。建立理论模型，研究硫化过程中S元素扩散机理（主要涉及扩散方式、扩散动力和扩散速率），模拟硫化物的形成及相转变过程，从理论上获得调控CZTS薄膜的微结构和光电特性的方法。研究CZTS薄膜和ZnS/BZO新型窗口层的制备参数与其组成、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，对深入了解CZTS薄膜的制备及光电特性具有重要意义，为低成本高效太阳电池材料的基础研究和实际应用奠定基础。

目前国际上开展的薄膜太阳电池主要有：非晶硅薄膜系、碲化镉(CdTe)系、铜铟硒(CIS) 系、铜铟镓硒(CIGS)系和砷化镓系等，但碲化镉系和砷化镓系含有有毒有害元素（镉、砷），而铜铟镓硒系含有稀有元素铟等，因此这两类太阳电池都不符合太阳电池的未来发展。铜锌锡硫（CZTS）具有资源丰富、无毒无害、性能稳定等优点，有望成为下一代薄膜太阳电池的理想吸收层材料，引起了许多科技强国的关注。. 通过CZTS薄膜太阳电池的研究，我们探索并获得了CZTS薄膜太阳电池材料制备的关键技术流程、器件工艺路线以及太阳电池优化设计的方法，掌握了具有自主知识产权的新型薄膜太阳电池关键核心技术。通过前期的研究，所制备的太阳电池样品效率达到5.04%，通过进一步探索新型器件结构、优化材料性能、改进工艺，有望制备出效率更高的CZTS太阳电池。