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磁控溅射和后续硫化法制备Cu2ZnSnS4薄膜的组分特性和硫化机制研究
结题报告
批准号:
61504029
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
许佳雄
依托单位:
学科分类:
F0401.半导体材料
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘振、邓子谦、曹中明、吕嘉骏
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中文摘要
Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜具有高光吸收系数,带隙与太阳光谱匹配,适合作为太阳能电池吸收层。CZTS薄膜的元素比例及分布是影响电池光伏特性的关键因素,但目前对CZTS薄膜的组分变化机制及相关的硫化反应机制尚未阐明。本项目采用磁控溅射和后续硫化法制备CZTS薄膜,用XPS、SIMS等方法测试组分特性,再结合结构、形貌等特性分析硫化机制,由硫化机制解释组分变化。本项目分别研究衬底材料、前驱体和高温硫化条件对薄膜组分特性和硫化反应机制的影响。首先研究在不同衬底上制备CZTS的组分特性和硫化机制的差异;再分析前驱体的结构特性和金属分布对后续的硫化反应和组分特性的影响;最后采用耐高温的石英玻璃或钼箔衬底,研究CZTS薄膜在超过600℃的高温硫化时的分解及其逆反应对组分的影响。本项目研究可更全面地揭示CZTS薄膜的组分变化机制、硫化反应生成和分解机制,为制备高效率的CZTS太阳能电池提供指导。
英文摘要
The Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin film is suitable as absorber of solar cell due to its high absorption coefficients and band gap matching with solar spectrum. The ratio and distribution of elements in CZTS thin film are key factors affecting the photovoltaic properties of solar cell. However, the mechanisms of composition change and the related sulfurization mechanisms are still not clear now. In this project, the CZTS thin films are fabricated by magnetron sputtering and post sulfurization. The compositional properties of CZTS thin films are measured by XPS, SIMS, and other methods. The sulfurization mechanisms are analyzed by the combination of the compositional, structural, and morphological properties of CZTS thin films. The ratio changes of CZTS thin films are explained by the sulfurization mechanisms. We intend to study the effects of substrates, precursors, and conditions of high temperature sulfurization on the compositional properties and sulfurization reaction mechanisms of CZTS. First, the differences in compositional properties and sulfurization mechanisms of CZTS on different substrates are studied. Then, the influences of the structural characteristics and metal distribution of precursors on the post sulfurization reaction and compositional properties are analyzed. Finally, the heat-resistant quartz glasses or molybdenum foils are used as substrates. The CZTS thin films are sulfurized at temperature higher than 600 ℃. The effects of decomposition reaction and its reverse reaction on the compositional properties of CZTS are analyzed. This project is expected to get a wider understanding of the mechanisms of composition change and the sulfurization mechanisms of formation and decomposition reaction of CZTS thin films. It can provide guidance for the preparation of CZTS solar cell with high conversion efficiency.
Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜具有高光吸收系数、带隙与太阳光谱匹配、组成元素来源丰富且无毒等优点,适合作为太阳能电池吸收层。CZTS薄膜的元素比例及分布是影响太阳能电池光伏特性的关键因素,但目前对CZTS薄膜的组分变化机制及相关的硫化反应机制尚未阐明。本项目采用磁控溅射和后续硫化法制备CZTS薄膜,用EDS、XPS、SIMS等方法测试组分特性,再结合硫化反应过程薄膜的相结构、形貌等分析硫化机制,由硫化机制解释组分变化。分别研究衬底材料、前驱体和高温硫化条件对CZTS薄膜组分特性和硫化反应机制的影响。具体研究了在不同的刚性和柔性衬底上制备的CZTS薄膜的元素比例、分布、扩散等组分特性及相结构、微观结构、薄膜与衬底的界面接触等,研究调节组分特性的途径,并分析硫化过程薄膜相结构的变化;研究了金属叠层前驱体的周期性、叠层顺序、预退火处理等对CZTS薄膜组分特性和硫化机制的影响,采用周期性前驱体结构可促进CZTS的硫化反应;采用耐高温的钼箔衬底,研究CZTS薄膜在超过600℃的高温硫化时的分解机制及组分特性,分析分解反应的发生条件;研究CZTS薄膜在硫化之后的低温退火处理。此外,本项目还研究了Si掺杂CZTS薄膜的制备及其应用、Ag掺杂CZTS薄膜的制备、Si衬底CZTS薄膜及CZTS/Si异质结、CZTSSe薄膜太阳能电池开路电压损失的数值仿真等与CZTS相关的其它内容。通过本项目研究,进一步明确了CZTS薄膜的组分特性、硫化反应生成和分解机制,为制备高质量CZTS薄膜、提高CZTS薄膜太阳能电池的光伏特性提供指导。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.solener.2018.02.066
发表时间:2018-04
期刊:Solar Energy
影响因子:6.7
作者:Xu Jiaxiong;Lin Junhui;Zhuang Chunan
通讯作者:Xu Jiaxiong;Lin Junhui;Zhuang Chunan
Fabrication of Cu2Zn(Sn,Si)S4 thin films using a two-step method for solar cell applications
采用两步法制备 Cu2Zn(Sn,Si)S4 薄膜用于太阳能电池应用
DOI:10.1007/s13391-016-6080-7
发表时间:2016-09
期刊:Electronic Materials Letters
影响因子:2.4
作者:Jiaxiong Xu;Yaqun Liu;Yuanzheng Yang
通讯作者:Yuanzheng Yang
DOI:--
发表时间:2016
期刊:材料工程
影响因子:--
作者:曹中明;杨元政;许佳雄;谢致薇
通讯作者:谢致薇
DOI:10.1016/j.jpcs.2016.06.007
发表时间:2016-11
期刊:Journal of Physics and Chemistry of Solids
影响因子:4
作者:Jiaxiong Xu
通讯作者:Jiaxiong Xu
Effects of copper content on properties of CZTS thin films grown on flexible substrate
铜含量对柔性衬底上生长的CZTS薄膜性能的影响
DOI:10.1016/j.spmi.2016.11.012
发表时间:2016-12
期刊:Superlattices and Microstructures
影响因子:3.1
作者:Yaqun Liu;Jiaxiong Xu;Yuanzheng Yang;Zhiwei Xie
通讯作者:Zhiwei Xie
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