一步溅射法制备的铜锌锡硒薄膜成相机理研究及其电池异质结探索

Copper zinc tin selenium (CZTSe) presents high absorption coefficient, consists of abundant element, and is now considered as the research highlight in solar cell material. However, there are some difficulties in CZTSe research area, such as coexist of binary and ternary impurity phases, loss of Sn element, unclear of fabrication parameter with their properties, argument with the working mechanism of buffer layer. This proposal will mainly focus on the following research topics: Firstly, fabricate CZTSe films through one-step magnetron sputtering method, and find out the relationship between the sputtering parameters and crystalline structure, morphology and optical properties of the deposited films; Secondly, anneal the sputtered CZTSe films in various solid selenium atomosphere, get results to investigate the element loss mechanism, phase formation process and impurity phase distribution, and then get the CZTSe phase formation mechanism and optimize sputtering and annealing parameter to fabricate singe phase Cu poor Zn rich CZTSe thin films with excellent optical and electrical porperties. Finally, deposite In2S3 buffer layer by sputtering and construct CZTSe p-n heterojunction, characterize the junction property and get proper sputtering condition, find ways to improve the CZTSe solar cell efficiency. The results of this proposal will favor the design and fabrication of CZTSe thin film solar cells.

铜锌锡硒(CZTSe)的光吸收系数高，材料来源丰富，是薄膜太阳能电池材料的研究热点。但CZTSe的研究面临很多困难，如合成过程易生成杂相，Sn元素易流失，制备工艺与材料性能间的关联不清楚，缓冲层的工作机理存在争议等。针对以上问题，本项目将开展以下研究：(1) 一步溅射沉积铜锌锡硒薄膜，明确溅射工艺参数与沉积薄膜的物相、成分、微观形貌、光学电学性能间的关联；(2)使用不同的固态硒源，对溅射沉积的CZTSe薄膜高温硒化退火，揭示薄膜的成分流失机制、物相演变规律、二次相分布情况，掌握CZTSe薄膜的成相机理，制备出缺铜富锌、光电性能优良的单相CZTSe光吸收层；(3) 溅射法沉积In2S3薄膜，表征CZTSe光吸收层/In2S3缓冲层特性，探索形成CZTSe异质p-n结的溅射工艺条件，找到电池性能的改善途径。本项目的研究成果对CZTSe薄膜太阳能电池的设计和制备具有重要意义。

铜锌锡硒(CZTSe)组成元素来源丰富，价格便宜，光吸收系数高，是薄膜太阳能电池材料的重点开发方向。但CZTSe的合成过程易生成杂相，Sn元素易流失，目前材料制备工艺与性能间的关联仍不清楚。本项目开展了溅射单一CZTSe靶制备CZTSe光吸收层薄膜，优化硒化工艺，溅射法沉积缓冲层构建CZTSe异质结的研究。经过多年的努力，取得的成果如下：.(1) 系统研究了溅射工艺参数对沉积CZTSe薄膜结构和性能的影响规律。发现CZTSe薄膜的成分可通过溅射功率调节，单相致密的CZTSe薄膜的沉积温度为380 ℃~400 ℃，低于或高于该温度区间都将产生杂相，溅射沉积的薄膜Se含量小于50 at %，光照下薄膜的电导率比暗态下最高可增加3 %。. (2)用SnSe2源硒化后的光吸收层薄膜质量比用固态Se源的好。超过530 ℃硒化会使CZTSe薄膜分解，产生空洞，生成分布于薄膜底部的SnSe2杂相。在SnSe2源中480 ℃硒化能显著改善CZTSe薄膜的光电性能，硒化后薄膜的暗态电阻率为1014cm-3量级，空穴迁移率26.4 cm2·V-1·s-1，光照时薄膜电导率比暗态增加28 %。 . (3) 调节靶材成分为Cu22Zn14Sn13.5Se50.2，溅射的CZTSe薄膜在SnSe2源中480 ℃硒化后可以获得高效率CZTSe电池要求的光吸收层成分：Cu/(Zn+Sn) ~0.8，Zn/Sn~1.2，Se含量超过50 at %。制备的CZTSe薄膜均匀致密无空洞裂纹，晶粒尺寸约100 nm。薄膜电阻率为254 Ω.cm，载流子浓度为~10 17 cm-3量级。. (4) 用溅射法沉积的In2S3和CdS薄膜，能够和CZTSe光吸收层构建具有整流效应的异质p-n 结。随后射频溅射沉积i-ZnO和ZnO:Al，溅射Au叉指电极，组装出了CZTSe电池器件。CZTSe薄膜电池在光照下具有光电转换效应，CZTSe-In2S3电池的光电转换效率η=0.027 %，而CZTSe-CdS电池的光电转换效率η=0.34 %。.本课题在项目执行期间，共计在国内外期刊发表论文6篇，其中SCI收录4篇，中文核心期刊2篇；申请国家发明专利5项，已授权2项，全面完成了国家自然科学基金申请书中规定的技术指标要求。