论文部分内容阅读
近几年,I2-II-IV-VI4族四元化合物Cu2ZnSnS4（CZTS）,Cu2ZnSnSe4（CZTSe）,Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4,（CZTSSe）薄膜被认为是一种有望替代CIGS薄膜的新型太阳能电池材料。通过调节CZTSSe薄膜中S/Se比值可以使薄膜的禁带宽度在1.0 eV-1.5 eV之间调节,且吸收系数大、组成元素储量丰富、成本低且环境友好,是最有潜力的新型绿色光伏材料,适合发展高效、绿色、廉价的太阳能电池。本文采用溶剂热法作为合成技术,以乙醇为溶剂,氯化锌、氯化亚锡、氯化铜为金属离子源,以硫脲为硫源,以硒代亚硫酸钠（Na2SeSO3）溶液或硒脲为硒源,以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为阳离子表面活性剂,直接在透明导电玻璃衬底上制备CZTSSe和CZTSe半导体薄膜。采用X射线衍射（XRD）、能量色散谱（EDS）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）和紫外-可见光谱研究了CZTSSe和CZTSe半导体薄膜的结构、形貌和光学性能。研究结果总结如下:1.采用溶剂热合成技术,可以直接在掺F-Sn O2（FTO）透明导电玻璃衬底上制备Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4薄膜,并能有效控制Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4薄膜的微结构和薄膜中S和Se的比例,从而调控Cu2ZnSn(Sx,Se1-x)4薄膜的禁带宽度。随着前驱液中硫脲/硒脲摩尔比的逐渐减小,其禁带宽度可以从1.53 eV-1.33 eV之间调节。CZTSSe薄膜在可见光和近红外光波长范围内有强的光吸收,因此它是很适合做薄膜太阳能电池的吸收层的。2.CZTSSe薄膜是有球形离子组成的,晶格结构为锌黄锡矿结构。随着前驱液中硫脲/硒脲摩尔比的逐渐减小,XRD衍射峰的位置相对于CZTS衍射峰的位置朝着低衍射角方向移动,表明有更多的硒原子进入到锌黄锡矿结构的晶格中取代S原子,因为Se2-离子的半径（0.198 nm）比S2-离子的半径（0.184 nm）大,Se逐渐取代S原子形成CZTSSe之后,晶格常数增加,导致衍射峰向低衍射角方向移动。同时随着前驱液中硫脲/硒脲摩尔比的逐渐减小,与CZTS相关的位于334 cm-1附近的拉曼特征峰的强度逐渐减弱,而与CZTSe相关的位于190 cm-1和230 cm-1附近的拉曼特征峰的强度逐渐增强。3.在CZTSSe薄膜中Cu:Zn:Sn:（S+Se）的比值是偏离Cu2ZnSn(SxSe1-x)4理论值2:1:1:4的,薄膜中实际的S/（S+Se）原子比率比前驱溶液中硫脲和硒脲的比率低的多,另外,SEM-EDS元素分布图表明,薄膜中元素Cu,Sn和S分布是均匀的,但是Zn和Se的分布是不均匀的。如何有效控制中薄膜中各成分的元素比对5元化合物来说是比较困难的,还有待进一步研究。4.采用溶剂热合成技术直接在FTO玻璃衬底上制备CZTSe半导体薄膜。前驱液中硒脲浓度对CZTSe薄膜的表面形貌有明显影响。当硒脲浓度低于0.2 M时,制备的CZTSe薄膜是由大量的大小均匀的球形颗粒组成,球形颗粒的直径随硒脲浓度的增大而明显增大,当硒脲浓度继续增加到0.25 M时薄膜是由纳米片组成的,这些纳米片垂直或准垂直地均匀分布在FTO衬底上。CZTSe半导体薄膜具有锌黄锡矿结构,其禁带宽度在1.17 eV-1.38 eV之间。