非真空纳晶液相法制备铜锌锡硫薄膜及其光电性能研究

In this project, a simple method for large-scale preparation of nanocrystal inks will be developed by using small molecular weight of mercaptan and organic amine as mixed solvent, and choosing the suitable metal source and the sulfur source. This part of study will solve problems existing in the preparation of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films, including low yield of nanocrystals in the traditional method, hard to grow into large grains, large amounts of carbon residue in the thin films. Moreover, the mechanism of nanocrystal inks will be proposed through monitoring the change of solution composition and also the composition of the sulfide nanocrystals. The effect of annealing parameters such as time, temperature, heating rate, on the rules of phase change and band gap in the thin films will be discussed, and the dynamic formation mechanism of CZTS thin films from room temperature synthesized nanocrystal inks will also be proposed. The implementation of this project will be expected to provide the technical foundation and theoretical basis for the synthesis of CZTS thin film solar cell absorption layers with green environmental protection, low cost and high conversion efficiency.

针对传统纳米晶液相法制备铜锌锡硫（CZTS）薄膜过程中存在纳米晶产量小、难以长成大晶粒以及薄膜中大量碳残留等问题，本项目拟采用小分子量的硫醇和有机胺为混合溶剂，通过选择合适的金属源和硫源，提出一种操作简单的大规模纳米晶墨水的制备方法，通过监测溶液成分的变化以及体系中硫化物纳米晶的组成，探索纳米晶墨水溶液形成机制，改善薄膜中大量碳残留以及纳米晶产量低等问题。通过系统研究退火参数（时间、温度、升温速率）对薄膜相变规律以及硒化参数对CZTS薄膜带隙调控规律，揭示由室温下合成的纳米晶墨水到CZTS薄膜的动力学形成机理。本项目可望为发展绿色环保、低成本、高转换效率的CZTS薄膜太阳电池吸收层制备方法提供技术基础和理论依据。

对于太阳能的利用和开发已成为我国经济和社会可持续发展战略的重要议题。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池被称为下一代极具发展潜力的新型薄膜太阳电池，但是CIGS大量使用了In和Ga稀有金属，因而人们将目光转向铜锌锡硫（CZTS）的制备研究。CZTS由丰度较高且绿色环保的元素组成，可以大大降低生产成本，很有希望成为未来电池的主流。由于CZTS吸收层是整个电池的重要部件，它将对整个器件的光电转换效率起到至关重要的决定性作用，因此，本项目深入研究和发展了多元组成CZTS薄膜的制备方法，主要通过各种化学液相法来制备薄膜，讨论了不同体系的纳米晶墨水在制备吸收层薄膜中的应用，进而为低成本制备CZTS电池提供良好的技术参考。在正序电池（substrate solar cells)制备过程中，我们发现在高温退火的时候，钼（Mo）基底会与吸收层CZTS发生反应，造成了Cu2S在界面附近的大量聚集，其带宽较低具有高导电性，易造成高密度的复合电流。为此,我们设计了一种倒序电池(superstrate solar cells)结构，讨论了界面层状态对器件光电性能的影响，为优化设计CZTS薄膜电池的结构提供一定的参考。通过在前驱体溶液中掺杂钠元素以及调节CZTSSe中S/Se比来调节吸收层带隙在1.03-1.53 eV之间，改变器件的开路电压和电流密度，从而实现在一定程度上调节电池的光电转换效率。为了实现光的可调谐性，初步开展了水溶性红绿光可调谐稀土掺杂上转换纳米材料的制备研究相关工作。此外，还开展了纳米阵列诱导纳米晶生长制备膜的相关研究，为膜的制备方法论提供更多的可行性方案。