同素异价SnS2/SnS异质结的近空间升华法制备及其对太阳电池光伏性能的影响

In this proposal, the main purpose is to obtain the thin film solar cells with the simple and novel structure of FTO/n-SnS2/p-SnS/metal back contact using the clean, inexpensive and abundant raw materials. The thin films of SnS2 and SnS are deposited by close-spaced sublimation technique using the powders of SnS2 and SnS as sources and the thin film solar cells based on the SnS2/SnS heterojunction with the same elements and different valences are fabricated. The influence of preparation and doping like antimony and silver on the composition, microstructure and physical property of the thin films is investigated. The reaction principle of the preparation of SnS2 and SnS thin films by close-spaced sublimation technique is revealed and the relationship between the composition, microstructure and physical property of the thin films and the photovoltaic performance of the solar cells is displayed. The interfacial characteristics, energy band gap match-up, heterojunction transition, the carrier transportation and effective collection of SnS2/SnS heterojunction with the same elements and different valences is elaborated, also the energy band gap structural model and the theory of transportation of SnS2/SnS heterojunction is established. Therefore, the fundamental research on the thin film solar cells based on the SnS2/SnS heterojunction with the same elements and different valences is useful to enrich the theory and practice of the thin film solar cells, develop the low-cost and scale manufactural novel solar cells and is of great theoretical significance and application value.

本项目将以获得结构简单新颖、绿色清洁廉价、材料来源丰富的导电玻璃FTO/n-SnS2/p-SnS/金属背电极的薄膜太阳电池为目标，通过利用SnS2和SnS粉体为源，采用近空间升华法沉积SnS2和SnS薄膜，构建元素组成相同、价态不同的同素异价SnS2/SnS异质结的薄膜太阳电池。研究薄膜的制备和锑、银等掺杂后处理对其组成、微结构和物理性质的影响，明确近空间升华法制备SnS2和SnS薄膜的反应原理，揭示薄膜的组成、微结构和物理性质与太阳电池光伏性能之间的关系，阐明同素异价SnS2/SnS异质结中的界面特性、能隙匹配、异质结过渡、载流子的输运和有效收集问题，建立同素异价SnS2/SnS异质结能带结构模型和输运理论。因此，开展p-n结为同素异价SnS2/SnS异质结薄膜太阳电池的基础研究，对丰富薄膜太阳电池的理论与实践，发展低成本、可规模化开发利用的新型太阳电池，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目将以获得结构简单新颖、绿色清洁廉价、材料来源丰富的锡硫化物薄膜太阳电池为目标，成功改装了一台化合物薄膜近空间升华沉积系统，通过该系统可以在较高的真空度和各种源与衬底温度下来制备多种化合物薄膜，为探索近空间升华法制备各种组成和微结构的薄膜太阳电池提供了坚实的设备基础。掌握了SnS2和SnS粉体的制备与质量控制技术，为一些难溶硫化物半导体材料提供了一种简单、廉价、可行的质量控制方法。获得了SnS2和SnS薄膜的近空间升华法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、真空热蒸发法、热解法制备与掺杂过程的关键技术参数，组装了SnS2/SnS等异质结薄膜太阳电池；相应结构为导电玻璃FTO/n-SnS2/p-SnS/In的薄膜太阳电池，其短路电流密度Jsc为5.74 mAcm-2、开路电压Voc为480 mV、填充因子FF为47.65%、光电转换效率PCE为1.31%；结构为FTO/CdS-CdSe共敏化的纳米TiO2薄膜/多硫液体电解质/SnS薄膜对电极的太阳电池，其Jsc为8.69 mAcm-2、Voc为420 mV、FF为43%、PCE为1.57%，而使用SnS2薄膜对电极太阳电池的PCE为0.054%；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，研究了SnS2/SnS等异质结中的界面特性、能隙匹配、异质结过渡、载流子的输运和有效收集问题，发现了一种新颖结构的FTO/致密PbS量子点薄膜敏化的TiO2纳米棒阵列/spiro-OMeTAD固态电解质/Au的薄膜太阳电池，其Jsc为15.32 mAcm-2、Voc为510 mV、FF为61.2%、PCE为4.81%。项目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、可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。