ZnO纳米棒对倒序Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池光电性能的影响

为了提高光生电子在半导体纳晶薄膜的输运速度,在导电玻璃基底上通过先沉积种子层、再生长ZnO薄膜的方法,制备了结构均匀、垂直基底的ZnO纳米棒.采用溶液法并经硫化在ZnO纳晶薄膜上制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜,分别以聚噻吩和铜为空穴传输层和对电极组装倒序结构CZTS薄膜太阳能电池.通过改变ZnO纳米薄膜的微观形貌,研究用于电子传输的纳晶薄膜的微观结构对倒序结构CZTS薄膜光电性能的影响.实验结果表明:与ZnO纳米颗粒相比,由于Zn O纳米棒有利于CZTS吸收层电子空穴的分离和光生电子在ZnO纳晶薄膜内的输运,减少光生电子和空穴的复合,倒序CZTS太阳能电池的光电转换效率从0.04%提高到0.31%.     

CZTS薄膜制备的研究进展

Cu2ZnSnS4(CZTS)具有与太阳光谱非常匹配的禁带宽度以及高的吸收系数,这使得CZTS薄膜成为一种最具潜力的新型太阳能电池薄膜吸收层材料。因此研究和完善CZTS薄膜的制备技术并提高薄膜质量及性能成为重要的研究课题。本文主要介绍四种CZTS薄膜的制备方法:磁控溅射、共蒸发、混合溅射、电子束蒸发硫化法。     

Cu对溶胶-凝胶法制备Cu_2ZnSnS_4薄膜性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备Cu_2ZnSnS_4的前驱体溶液,结合旋转涂覆法和空气中的预热处理技术制备不同金属含量Cu/(Zn+Sn)=x(0.5,0.8,1.0)的CZTS薄膜样品.利用XRD和紫外可见分光光度法,对CZTS薄膜晶体结构和光学性能进行表征.结果表明:样品XRD图谱中可以观察到锌黄锡矿结构CZTS的(112)、(220)、(312)衍射峰,且沿(112)峰择优生长;随着Cu掺杂浓度的增加,禁带宽度变小,可获得最佳接近太阳能电池要求的带隙值1.42eV.     

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.     

预置金属层顺序沉积法制备CZTS薄膜太阳能电池的研究进展

CZTS薄膜太阳能电池因其带隙与太阳辐射匹配性好、光吸收系数高、原料储藏量大、价格便宜、无毒等优点,将成为未来最具发展前景的薄膜电池之一。简述了预置金属层顺序沉积法制备CZTS薄膜太阳能电池的最新研究进展,并对其发展趋势进行了展望。     

溶胶-凝胶后硫化法制备铜锌锡硫薄膜太阳电池

在560℃的硫气氛中退火处理溶胶-凝胶法制备的薄膜前躯体,制备太阳电池光吸收层铜锌锡硫(CZTS)薄膜。采用X线能量色散谱、扫描电镜、X线衍射、拉曼光谱和紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜进行表征。研究结果表明:制备的CZTS薄膜为贫铜富锌成分,呈现锌黄锡矿结构;薄膜禁带宽度约为1.50 e V,在可见光区域内光吸收系数达到104 cm-1;制作的结构为Ag/Zn O:Al/i-Zn O/Cd S/CZTS/Mo/SLG的薄膜太阳电池器件的电池开路电压、短路电流密度、填充因子和光电转换效率分别为658 m V,16.75 m A/cm2,0.47和5.18%,表明溶胶-凝胶法有望成为制备廉价高效的CZTS薄膜太阳电池的有效途径。     

化学水浴法制备CdS薄膜的研究

采用化学水浴法在不同衬底上制备了CdS薄膜.测试表明,所制备薄膜具有良好的致密性且晶粒大小均匀、表面平整;随着薄膜厚度的增加,薄膜的结晶质量提高但透过率有所下降;在钠钙玻璃上制备的CdS薄膜的电阻率最小(42.15Ω·cm).将最优工艺制备的CdS薄膜应用于CZTS吸收层上,得到了效率为3.0%且具有高开路电压(701 mV)的CZTS薄膜太阳电池.     

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.     

不同硫化温度下铜锌锡硫薄膜的微观组织结构表征

在覆盖Mo层的钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积后续硫化处理方式制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高角环形暗场像和X射线能谱仪等表征技术,研究不同硫化温度下CZTS薄膜形成过程中微观组织结构的变化.结果表明:硫化温度升高到400℃以上形成CZTS四元结晶相组成的薄膜,在400～550℃之间,随硫化温度的升高CZTS相增多且尺寸增大,600℃硫化时,CZTS相出现分解现象.硫化温度对薄膜影响显著,近钼层颗粒尺寸较小,表层颗粒尺寸较大.温度较低时薄膜的表层中Cu和S富集形成CuS,近钼层中Zn和Sn含量较多.随着温度升高,Cu、Zn、Sn和S不断扩散,分布更加均匀,形成的CZTS相结晶性愈好,晶粒不断长大成等轴晶,且CZTS晶粒出现孪晶.     

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.     

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.     

电沉积合金预制层后退火制备铜锌锡硫薄膜及其光伏特性

采用电沉积铜锌锡(Cu-Zn-Sn,CZT)合金预制层后退火制备薄膜太阳电池用吸收层材料铜锌锡硫(Cu_2ZnSnS_4,CZTS)。利用扫描电镜、X线能量色散谱仪、X线衍射仪、拉曼光谱等检测方法对不同预制层成分下制备的CZTS薄膜的表面形貌、成分和物相结构进行表征与分析。研究结果表明:随着预制层中铜摩尔分数的增加,CZTS薄膜(112)面衍射峰半峰宽呈现先减小后增大的趋势,在物质的量比n(Cu)/n(Zn+Sn)=0.83和n(Zn)/n(Sn)=1.31的条件下获得半峰宽最小、结晶性能最好的CZTS薄膜;贫铜贫锌条件下制备的薄膜中存在SnS_2二次相,贫铜富锌条件下制备的薄膜中存在少量ZnS二次相;富铜富锌条件下制备的薄膜中存在Cu-S二次相;二次相对薄膜光电响应具有重要影响,贫铜富锌的样品光电响应性能较好,无光电流衰减现象,光电流密度最大可达到0.6 mA/cm~2;最优成分下制备的CZTS太阳电池在100 mW/cm~2光照条件下获得光电转换效率为3.27%。     

Cu_2ZnSnS_4粉体材料的制备及其性能研究

采用固相反应法制备了Cu2ZnSnS4(CZTS)粉体材料,利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对样品的形貌和晶体结构进行了表征,采用紫外-可见-近红外分光光度计对样品的光学性能进行了测试,研究了热处理温度对CZTS样品的晶体结构、光吸收系数和禁带宽度等性能的影响关系.研究结果表明:使用固相反应法在热处理温度高于500℃时,得到的CZTS粉体材料结构为典型的锌黄锡矿晶体结构,其禁带宽度为1.45eV,SEM照片显示样品粒径为50μm的粉体.该材料可以用来压制CZTS靶材,可以用在CZTS薄膜材料的制备领域.     

零能耗建筑或将成为可能

正长久以来,"零能耗"建筑的发展一直受困于两个难题:薄膜太阳能电池的高成本以及电池板原料的稀有『生和高毒性。近日,澳大利亚新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院的科研团队研制出一种廉价、无毒且柔韧性强的薄膜太阳能电池。这种名为CZTS的太阳能电池可依附于玻璃、墙面、屋顶等位置;其电池板利用薄膜芯片技术,而芯片材料则来自地壳中富含的铜、锌、锡和硫元素(CZTS即为这4种元素英文名称首字母的缩     

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%.     

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.     

分层铜锌锡硫纳米结构的合成及其光催化性能研究

采用溶剂热法合成了分层结构的铜锌锡硫（CZTS）纳米结构,用X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外可见分光光度计（UV-Vis）、拉曼光谱等现代表征手段对样品进行表征,并以亚甲基蓝（MB）染色剂的模拟废水为目标污染物,探讨了CZTS纳米结构在可见光照射下的光催化性能.在10h可见光催化反应后,CZTS分层纳米结构对MB的降解率高达93.6％.对比实验研究表明,采用类似方法制备的CZTS无规则纳米粒子对MB的降解率仅为51.6％,表明分层CZTS纳米结构具有优异的光催化性能.我们对分层CZTS纳米结构的光催化性能进行了合理的解释.     

纳米氧化亚铜薄膜的制备及光电性能研究

采用水热法制备n型和p型Cu2O薄膜,并采用电化学法制备p型Cu2O薄膜。通过X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对Cu2O薄膜进行表征,研究了p型Cu2O薄膜的光电性能。实验结果表明:在弱酸性溶液中,用水热法制备的Cu2O薄膜导电类型为n型;在碱性溶液中,Cu2O薄膜导电类型为p型;电化学法制备的p型Cu2O为立方型晶体。     

具有元素梯度的Cu_2ZnSnS_4薄膜

Cu(In,Ga)Se_2(CIGS)吸收层中的In、Ga元素梯度使得吸收层形成梯度化的带隙结构,该结构能有效提高电池的短路电流(Jsc)和开路电压(Voc),进而优化电池光电转换效率。利用磁控溅射设备,通过控制靶材的溅射功率渐变来实现薄膜中金属元素的梯度分布,为梯度带隙结构CZTS薄膜太阳能电池提供实验研究依据。     

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.