以带隙可调的Zn(O,S)梯度薄膜为缓层的CuInS2薄膜太阳能电池研究

CuInS2（CIS）薄膜光伏电池当前研究热点之一是无"镉"（有毒）缓层的开发。本项目提出以环境友好、能隙可调的梯度Zn(O,S)薄膜取代CdS作为CIS电池缓层。基于ZnO1-xSx的晶格常数和禁带宽度均随S含量连续可调，而梯度Zn(O,S)薄膜系统具有S含量及分层厚度两个可调自由度的考虑, 本项目通过细致研究，确定层厚和S成分分布最佳的梯度Zn(O,S)薄膜缓层，以实现与CIS吸收层及ZnO窗口层在结晶学和电子学上的双重最佳匹配，从而优化异质结各界面，减少载流子的界面复合。同时从物理机制上探讨少数载流子复合的微观机制及其复合所在的区域和影响因素，并结合理论模拟(AMPD-1D)优化CIS薄膜太阳电池结构，提高电池光电转换效率。另外，本项目中电池所有膜层材料（Mo电极、CIS吸收层、Zn(O,S)缓层、ZnO窗口层）都在真空中用溅射法一步完成，简化了制备工艺，可大幅度降低电池制造成本。

CuInS2（CIS）太阳能电池以其环境友好性和高的理论光电转换效率而成为薄膜光伏电池领域近期研究开发的重点，而无"镉"（有毒）缓层的开发又是CuInS2薄膜电池当前研究的热点之一。本项目提出以环境友好、能隙可调的梯度Zn(O,S)[graded-Zn(O,S)]薄膜取代CdS作为CuInS2电池缓层。我们对单层Zn(O,S)薄膜、CuInS2吸收层薄膜，以及Zn(O,S) 梯度薄膜作为缓层的CuInS2太阳能电池做了系统的实验和理论研究。首先我们采用脉冲激光沉积（PLD）法在蓝宝石单晶衬底上成功制备出高质量p型CuInS2单晶外延薄膜，为深入研究CuInS2吸收层的基本电学光学特性奠定良好基础。另一方面，我们实现了高质量ZnO1-xSx单层膜在蓝宝石单晶衬底和ZnO缓冲层上的外延生长。详细研究并揭示了S含量与ZnO1-xSx薄膜的晶体结构、电子结构、能隙宽度、光学及电学性能间的依赖关系。理论方面，我们利用AMPS-1D程序对以Zn(O,S) 梯度薄膜作为缓层的CuInS2薄膜电池的电子能带结构（导带衔接）进行了系统模拟。研究发现通过调整Zn(O,S)梯度缓层各层厚度及组分，可以实现graded-Zn(O,S)缓层与CuInS2吸收层及ZnO窗口层在电子学和晶体学上的最佳匹配，并设计出具有高光电转换效率的以graded-Zn(O,S)为缓层的CuInS2电池。这些结果对于实验制备高性能CuInS2薄膜电池具有重要的参考价值。另外，为追踪国际上有关CuInS2纳米材料研究的前沿热点，我们也开展了CuInS2纳米材料的合成和制备研究。我们率先实现了在乙醇胺中低温化学合成具有纤锌矿结构的CuInS2纳米片，并首次采用PLD法制备了有序排列的黄铜矿结构CuInS2纳米线，其长度及长宽比都远远超过已有文献的报道。CuInS2纳米片及纳米线的生长机制与精细生长控制技术正在深入研究中。超薄CuInS2纳米片及超长CuInS2纳米线可能成为纳米太阳能电池、光芯片、光电传感器等器件的重要材料。