Cu_2ZnSnS_4纳米颗粒的溶剂热法合成及其薄膜制备研究

采用溶剂热法合成了Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米颗粒.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)对样品的结构、化学组成和表面形貌进行了表征.研究了反应温度和硫源对CZTS纳米颗粒的结构、组成和形貌的影响.结果表明,较低的温度下,产物以Cu-Sn-S三元相为主,随着温度升高,Zn2+逐步扩散到晶格中,取代部分Cu2+,形成CZTS四元相.以硫化钠作硫源,合成了组分符合计量比、分散性良好的CZTS纳米颗粒,并采用旋涂方法制备了CZTS薄膜,其光学带隙为1.49eV,适合作为CZTS薄膜电池的吸收层.     

CZTS在快速硫化过程中的相转变

首先采用磁控共溅射的方法在镀钼钠钙玻璃上制备了Cu-Zn-Sn三元金属预制层，再以硫粉为硫源，用快速退火处理(RTP)炉分别在200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃和600℃进行1 h快速热处理，得到不同温度硫化的薄膜，分别采用XRD、Raman、SEM进行物相和表面形貌的表征.结果表明，在硫化退火过程中，在250～300℃,首先形成的二元相有Cu₂S、ZnS、SnS;在300～350℃,三元相Cu₂SnS₃形成；超过350℃时，晶粒尺寸较小的Cu₂ZnSnS₄(CZTS)开始形成；随着温度继续升高，CZTS的晶粒逐渐长大，杂相减少；当温度达到500℃时，表面形成结晶性好、晶粒尺寸大且无杂相的CZTS薄膜.通过对XRD和Raman图谱的分析，确立了各个温度区间发生相转变的化学反应方程式.     

磁控溅射法制备大晶粒铜锌锡硫薄膜的研究

采用磁控溅射Cu、Sn、Zn金属单质靶制备铜锌锡(CZT)金属预制层,在220℃下合金,然后在高温610℃硫化配合低速升温工艺对CZT前驱体进行退火,制备出晶粒尺寸为1~2μm的Cu_2ZnSnS_4(CZTS)薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对薄膜样品进行结构、表面形貌和组分表征.最后沉积缓冲层、ZnO窗口层,蒸镀Al电极,制备出CZTS薄膜太阳电池,测量得到电池开路电压(V_(oc))为574 mV,短路电流密度(J_(sc))为8.98 mA/cm~2,填充因子(FF)为37.8%,电池转换效率为1.95%.     

铜溅射时间对Cu_2ZnSnS_4薄膜性能的影响

采用磁控溅射方法制备铜溅射时间分别为1.5 h和2 h的Cu/Sn/ZnS前驱体薄膜,然后利用双温区高温管式炉对两种薄膜进行硫化处理制备Cu_2ZnSnS_4.利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和紫外—可见分光光度计对薄膜的结构、表面形貌、化学成分和光学性能进行表征.结果表明:溅射1.5 h的Cu制备的薄膜表面存在大量杂质,表面很不平整;溅射2 h的Cu的薄膜表面呈现均匀致密的颗粒状薄膜,且具有更大的晶粒尺寸;溅射2 h的Cu的薄膜为单一CZTS相,其化学成分原子比更接近Cu_2ZnSnS_4化学计量比.     

预制层结构对CZTS薄膜微观组织和光学性能的影响

研究了叠层顺序对磁控溅射沉积铜锌锡硫（CZTS）吸收层的微观结构、表面形貌和光学性能的影响.试验结果表明：当预制层结构为Cu/ZnS/SnS₂时,制备的CZTS薄膜在（112）晶面具有择优生长取向,并具有较好的结晶一致性,在288,335和368 cm^-1处呈现出特征拉曼（Raman）峰,薄膜表面晶粒较大、形状规则、薄膜空隙较少、比较致密,可见光范围内的吸收系数较高,光学带隙1.5 eV,适合作为CZTS薄膜太阳能电池的吸收层;当预制层结构为SnS₂/Cu/ZnS和ZnS/SnS₂/Cu时,由于在预制层硫化过程中造成一定的Zn和Sn流失,使CZTS薄膜中含有CuS杂相,导致薄膜表面质量下降,禁带宽度增加,不适合做CZTS薄膜太阳能电池的吸收层.     

溶胶—凝胶法制备Cu2ZnSnS4薄膜及其表征

采用溶胶—凝胶法和旋涂技术在FTO玻璃衬底上制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)前驱体薄膜,在氩气氛围中退火后获得Cu2ZnSnS4薄膜.利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外—可见分光光度计(UV-VIS)对样品进行表征分析结果表明:450℃退火后的样品为纯相的Cu2ZnSnS4,样品的晶粒尺寸较大,禁带宽度接近太阳光谱的禁带宽度.     

氧化锌纳米晶高温高压下的晶粒演化

研究了ZnO纳米晶高温高压下的晶粒演化, 用MDI/JADE5 X射线衍射仪和XL30S-FEG场发射扫描电子显微镜对高压样品的相组成、晶粒尺寸及微观形貌进行了表征. 结果表明, 高压下, 200℃氧化锌纳米晶粒已经迅速长大. 300℃(包括300℃)以下, ZnO纳米材料中晶粒长大和晶粒减小的现象并存, 1 ~ 3 GPa烧结体晶粒尺寸随着压力的升高而增大, 4 ~ 6 GPa烧结体的晶粒尺寸随着压力的升高而减小. 400℃(包括400℃)以上, 1 ~ 6 GPa烧结体的晶粒尺寸随着压力的升高而不断增大. 在特定条件下, 可以获得高性能的ZnO纳米块体材料.     

硫化物纳米墨水涂覆法制备铜锌锡硫太阳电池

利用共沉淀法制备CuS和SnS纳米颗粒,并将其与锌离子混合配置成固液混合纳米墨水,再通过涂覆后硫化法在钼玻璃基底上制备了铜锌锡硫(CZTS)薄膜.研究了硫化退火温度对CZTS薄膜成分、形貌和结构等性能的影响,获得了较优的退火温度为580℃;基于该工艺制作了光电转换效率为0.58%的CZTS薄膜太阳电池器件.     

硫化反应生长ZnS薄膜的结构和光学性能研究

以物理气相沉积中的溅射和蒸发方法,在玻璃衬底上沉积Zn/S/Zn三层膜结构,然后在1atm压力的Ar气氛中退火制备ZnS薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见透射光谱对ZnS薄膜的晶体结构和光学性质及其生长机理进行研究。结果表明,在450℃温度下退火时,三层膜结构中高活性Zn和S容易发生硫化反应,形成的ZnS薄膜为立方晶体结构,沿(111)晶面择优生长;其ZnS特征吸收边出现在350nm附近,在可见光波长范围内,ZnS薄膜具有约80%的透光率;在450℃温度下退火后再于550℃温度下退火,所制ZnS薄膜的结晶性得到进一步提高。     

Sn的叠层顺序对CZTS薄膜的影响

采用磁控溅射预制层后硫化制备CZTS薄膜,研究Sn不同叠层顺序对薄膜特性的影响.通过对晶体结构、相纯度、表面形貌、光学特性进行表征和分析,结果表明采用溅射顺序为ZnS/CuS/Sn/Mo制备的CZTS薄膜表面平整光滑的特性,具有较好的晶体质量.同时也有利于减少在硫化过程中Sn含量的损失,抑制MoS_2的形成.最终得到了开路电压为670 mV,短路电流为15.52 mA/cm~2,填充因子为44%,光电转换效率为4.58%的CZTS薄膜电池.