四元Cu2MSnS4 (M=Fe, Co, Mn, Ni)薄膜的制备、性能及在太阳能电池中的应用研究

Quaternary Cu2MSnS4 (M= Fe2+, Co2+, Mn2+, Ni2+) dilute magnetic semiconductors may be the promising candidate for use in solar cells because of their suitable direct bandgaps tunable from 1.1 to 1.7 eV, favorably matching to the visible portion of solar light. Although nanocrystals of Cu2MSnS4 (M= Fe2+, Co2+, Mn2+, Ni2+) are frequently reported, thin films of such dilute magnetic semiconductors are never reported until now. Moreover, there is no any report concerning the use of such compounds in solar cells yet. For this purpose, I propose to fabricate Cu2MSnS4 (M= Fe2+, Co2+, Mn2+, Ni2+) dilute magnetic semiconductor thin films via spray pyrolysis approach, and then control their crystal structures by modifying experimental parameters. Subsequently, comprehensive characterizations, as well as measurements of optic, electrical, photoelectric/photoelectrochemical, and magnetic properties will be done. Lastly, Cu2MSnS4 (M= Fe2+, Co2+, Mn2+, Ni2+) thin film photovoltaic devices would be developed through adopting appropriate solar cell architectures. This project is expected to advance the study of photovoltaic materials toward environmentally benign, earth abundant, low cost and high efficiency.

四元Cu2MSnS4 (M=Fe2+,Co2+,Mn2+,Ni2+)稀磁半导体具有合适的直接带隙（1.1-1.7 eV），可吸收太阳光谱中绝大部分波长的可见光，在薄膜太阳能电池应用中可能是极具潜力的吸光材料。Cu2MSnS4 (M=Fe2+,Co2+,Mn2+,Ni2+)纳米晶体的文献报道较多，但最适合构筑光伏器件的纳米薄膜的报道在国际上仍是空白，且该系列化合物在太阳能电池中的应用研究还未曾见报道。为此，本项目拟采用喷雾热解法制备四元Cu2MSnS4 (M=Fe2+,Co2+,Mn2+,Ni2+)稀磁半导体纳米薄膜，并通过实验参数的调变来实现晶相的控制。随后，拟对其进行详细表征分析和光学、电学、光电/光电化学以及磁性等性能的测试。最后，拟选择合适的器件结构，将该系列材料制成薄膜太阳能电池器件。本项目的实施将有望推动太阳能电池材料研究继续朝着环境友好、组成元素丰量、低成本和高效率的方向发展。

四元Cu2MSnS4 (M=Fe2+,Co2+,Mn2+,Ni2+)稀磁半导体具有p型导电特征和合适的直接带隙（1.1-1.7 eV），可吸收太阳光谱中绝大部分波长的可见光，在薄膜太阳能电池应用中是极具潜力的吸光材料。基于此设计理念，本项目主要研究可应用于薄膜太阳能电池吸光材料的多元硫化物半导体薄膜的喷雾热解技术制备。研究内容可分为两部分：1）手动喷雾的探索阶段，建立简单易用的手动喷涂装置，研究了三元硫化物薄膜的喷雾热解法制备、表征及光电性能，主要包括多晶的CuSbS2、CuGaS2和Cu3BiS3等；2）自动喷雾的应用阶段，搭建可编程、可程序控温的自动喷涂装置，研究了四元硫化物薄膜的喷雾热解法制备、表征、光电以及磁学性能，主要包括多晶的Cu-Zn-In-S、Cu2CdSnS4、Cu2MnSnS4以及非晶的Cu2FeSnS4、Cu2CoSnS4、Cu2NiSnS4等，同时证明了大面积薄膜制备的可能性。.通过研究衬底温度与半导体薄膜生长特征之间的规律，揭示了多元硫化物薄膜喷雾热解沉积机理，发现这类薄膜一般为非晶或多晶结构，由密堆积的细微晶粒组成，晶粒尺寸随着衬底温度的升高而逐渐变大。通过衬底温度匹配和前驱体组分调节等实验摸索，证实喷雾热解沉积技术非常适合多元化合物薄膜的制备，甚至可获得CuInS2和ZnS二者形成的固溶体薄膜Cu-Zn-In-S，实现二者成分的连续调变以及直接带隙从1.54 eV到3.61 eV的大范围连续调变。..综上所述，项目负责人已经在喷雾热解法制备多元硫化物半导体薄膜领域取得了丰富的科研成果，掌握了喷雾热解技术制备半导体薄膜的生长规律，有力的推动了太阳能电池材料研究继续朝着环境友好、组成元素丰量、低成本和高效率的方向发展。受本项目资助，已发表SCI英文论文12篇，申请中国发明专利1项，培养博士研究生1名和硕士研究生2名。