低成本环保型Cu2ZnSnS4/a-Si太阳电池材料与光伏性能的研究

Cu2ZnSnS4 (CZTS)有很大的光吸收系数和接近1.5eV的光学带隙，非常适合用作太阳电池的光吸收层。与Cu(InGa)(S,Se)2相比，它有原料丰富和价格低廉的特点。拟采用射频磁控溅射在玻璃衬底上溅射Zn、Sn和Cu多层膜，然后经硫化制备CZTS薄膜。采用阻挡层、分段升温硫化和外电场诱导晶化等技术，探索制备性能优良的CZTS薄膜的规律；在结构、形貌、电学和光学性能分析的基础上，用光电流响应谱和光致发光谱深入分析CZTS薄膜中的缺陷态并建立合理的材料物理模型进行解释；用热丝CVD方法在CZTS薄膜表面沉积无毒的n型a-Si薄膜构建CZTS/a-Si太阳电池，通过测量电池的变温I-V曲线和量子效率，探讨影响CZTS/a-Si太阳电池光伏性能的微观机理，进而优化器件结构和制备工艺，为在廉价衬底上研制与开发出性能好、成本低的新一代环保型CZTS薄膜太阳电池提供实验依据和指导思路。

Cu2ZnSnS4 (CZTS)薄膜具有与CIGS相似的结构，且所含的四种元素在地壳中储量丰富且无毒。CZTS的光学带隙约为1.5 eV，其吸收系数大于10000cm-1。CZTS太阳电池理论转化效率高达32.4%，具有非常大的应用前景。.在理论计算CZTS薄膜物理性能的基础上，本项目重点用磁控溅射加后续硫化的二步法研制了CZTS薄膜，研究了各金属层厚度、金属层溅射顺序、多靶共溅射、溅射参数以及硫源种类、硫化工艺参数和前驱体预热处理等对CZTS薄膜的结构、电学和光学性能的影响，摸索出了制备性能优良的CZTS薄膜的规律。发现不同硫化温度下得到的CZTS薄膜禁带宽度均约1.5eV。500℃温度硫化后，样品表面致密、晶粒尺寸最大，暗电阻率和光电阻率最低，且光敏性最强(ρdark/ρlight比值最大为12.5)。还探索了用化学溶液法、电沉积法以及微波溶液合成法制备性能优良的CZTS薄膜的实验规律。.本项目创新性地以无毒的a-Si薄膜作为CZTS太阳电池的缓冲层代替目前普遍采用的有毒性的CdS薄膜缓冲层，构建了CZTS/a-Si这种新型低成本环保型薄膜太阳电池。系统地研究了热丝CVD系统中热丝的温度、H2稀释比、衬底温度及衬底类型等对热丝CVD沉积a-Si薄膜性能的影响。在优化条件下制备的a-Si薄膜拉曼频移峰位在488cm-1，光学带隙值约为1.89eV。a-Si薄膜致密均匀，适合作为太阳电池缓冲层薄膜。通过测量太阳电池的I-V曲线和量子效率，发现CZTS/a-Si异质结的界面对太阳电池性能的影响很大。通过在界面处插入一层i-a-Si层，最终研制的CZTS/i-a-Si/n-a-Si异质结太阳电池的性能参数较CZTS/n-a-Si异质结太阳电池明显提升，反向饱和电流下降了约一个数量级，电池的光电转换效率比没有加入i-a-Si薄膜的太阳电池效率提升了139%。.本项目的顺利完成，为将来研制与开发出光电性能好、成本低且环保的新一代CZTS薄膜太阳电池提供了坚实的实验基础与科学依据。