云南师范大学, 云南省农村能源工程重点实验室, 昆明 650500
本文采用溶液法制备铜锌锡硒(Cu2ZnSnSe4, CZTSe)薄膜。通过在溶液中加入少量的锗(Ge), 探究Ge的引入对CZTSe薄膜及其器件性能的影响。为了对比分析, 分别制备了不含Ge的CZTSe和含少量Ge的铜锌锡锗硒［Cu2Zn(Sn, Ge)Se4, CZTGSe］两组薄膜及其薄膜太阳电池。分别利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼(Raman)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔(Hall)测试、电流-电压(J-V)曲线和外量子效率(EQE)测试等手段对吸收层薄膜的晶体结构、相的纯度、表面形貌、载流子浓度, 以及完整器件的电学性能进行表征和分析。结果表明, 在CZTSe薄膜中引入少量Ge可以与Se形成液体流动剂, 提升吸收层薄膜结晶度, 改善晶体质量, 减少晶界数量, 降低光生载流子在晶界处的复合, 提高载流子寿命。此外, Ge对Sn的部分取代可以降低与Sn有关的缺陷态密度, 增加带隙, 提高开路电压, 同时改善串联电阻和并联电阻, 提高填充因子。最终获得了开路电压为513.2 mV、短路电流为27.47 mA/cm2、填充因子为62.68%、光电转换效率为8.83%的CZTGSe薄膜太阳电池。
铜锌锡硒薄膜 薄膜太阳电池 溶液法 硒化处理 光电转换效率 Cu2ZnSnSe4 thin film thin film solar cell Ge Ge solution method selenization photoelectric conversion efficiency
1 云南师范大学云南省农村能源工程重点实验室, 昆明 650500
2 云南师范大学云南省光电信息技术重点实验室, 昆明 650500
晶体质量是决定铜锌锡硫硒(Cu2ZnSn(S,Se)4, CZTSSe)吸收层薄膜吸收效率的关键, 旋涂是溶液法制备CZTSSe吸收层的第一步, 因此旋涂方式的选择至关重要。为了探究不同旋涂方式对CZTSSe吸收层薄膜质量和相应器件性能的影响, 分别采用三组不同的旋涂方式制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4, CZTS)前驱体薄膜及CZTSSe吸收层薄膜, 并利用X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、显微拉曼光谱仪(Raman)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析了不同旋涂方式对所制备的CZTSSe吸收层薄膜晶体结构、元素成分、相纯度、表面形貌的影响。同时, 采用电流密度-电压(J-V)测试和外量子效率(EQE)测试对CZTSSe吸收层薄膜太阳电池的光电特性进行了表征。结果表明: 旋涂7周期, 且第一周期烘烤之前旋涂2次的效果最好, 所制备的CZTS前驱体薄膜均匀, 无裂纹, CZTSSe吸收层薄膜结晶度更高, 薄膜表面更平整致密, 晶粒大小更均匀, 实现了9.63%的光电转换效率。通过对采用不同旋涂方式制备的器件的性能参数进行统计分析, 得出新的旋涂方式可以提高CZTSSe薄膜太阳电池的可重复性, 为将来可能的大规模商业化应用做铺垫。
薄膜太阳电池 旋涂方式 光电转换效率 溶液法 硒化处理 Cu2ZnSn(S,Se)4 Cu2ZnSn(S,Se)4 thin film solar cell spin coating mode photoelectric conversion efficiency solution method selenization
1 1.南昌大学 材料科学与工程学院, 江西省先进功能薄膜材料工程实验室, 南昌 330031
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
3 3.江西科技师范大学 材料机械工程学院, 南昌 330038
PdSe2薄膜主要通过机械剥离法和气相沉积法制得, 本研究采用一种简单有效的可在SiO2/Si衬底上制备PdSe2薄膜的方法。通过高真空磁控溅射技术在SiO2/Si衬底上沉积一层Pd金属薄膜, 将Pd金属薄膜与Se粉封在高真空的石英管中并在一定的温度下进行硒化, 获得PdSe2薄膜。根据截面高分辨透射电镜(HRTEM)照片可知PdSe2薄膜的平均厚度约为30 nm。进一步研究硒化温度对PdSe2薄膜电输运性能的影响, 当硒化温度为300 ℃时, 所制得的PdSe2薄膜的体空穴浓度约为1×1018 cm-3, 具有最大的室温迁移率和室温磁阻, 分别为48.5 cm2·V-1·s-1和12%(B=9 T)。值得注意的是, 本实验中通过真空硒化法获得的薄膜空穴迁移率大于通过机械剥离法制得的p型PdSe2薄膜。随着硒化温度从300 ℃逐渐升高, 由于Se元素容易挥发, Pd薄膜的硒化程度逐渐减小, 导致薄膜硒含量、迁移率和磁电阻降低。本研究表明：真空硒化法是一种简单有效地制备PdSe2薄膜的方法, 在贵金属硫族化合物的大面积制备及多功能电子器件的设计中具有潜在的应用价值。
1 云南师范大学,云南省农村能源工程重点实验室，昆明 650500
2 云南师范大学,云南省光电技术重点实验室，昆明 650500
采用磁控溅射SnSe-ZnSe-Cu硒化物靶和Sn-Zn-Cu金属单质靶的方法制备两种Cu2ZnSnSe4(CZTSe)预制层，并将两种预制层采用相同的硒化工艺制备出CZTSe薄膜吸收层。分别采用XRD、Raman、SEM、EDS等分析了薄膜的晶体结构、相的纯度、表面及截面形貌和元素组分，结果发现采用硒化物靶制备的CZTSe吸收层薄膜更为平整致密且无明显孔洞。同时采用Hall测试和J-V测试对太阳电池薄膜的电学性质进行了表征，结果表明硒化物靶制备的CZTSe太阳电池的电流密度以及光电转化效率要高于金属单质靶，金属单质靶制备的CZTSe薄膜电池的开路电压为356 mV，短路电流密度为20.61 mA/cm2，光电转换效率为2.18%，而硒化物靶制备的CZTSe薄膜电池的开路电压为354 mV，短路电流密度为28.41 mA/cm2，光电转换效率为3.33%。
CZTSe薄膜 太阳电池 磁控溅射 硒化 光电转换效率 CZTSe thin film solar cell magnetron sputtering selenization photoelectric conversion efficency
南京航空航天大学 材料科学与技术学院 江苏省能量转换材料与技术重点实验室, 南京 210016
采用射频磁控溅射加硒化的两步法在超白玻璃衬底上生长SnSe2薄膜, 采用XRD、光学透过谱、Raman光谱、XPS和SEM等方法对薄膜进行性能表征。通过设置不同的硒化温度, 研究不同硒化温度对所得薄膜相结构、物相与组分、表面形貌等性能的影响。结果表明: 350℃, 40min硒化所得薄膜为片状晶粒, 光学带隙为1.46eV, 相结构和均匀性等性能在该硒化条件下均为最佳。
薄膜材料 SnSe2薄膜 硒化温度 光学带隙 thin film SnSe2 thin film selenization temperature optical bandgap
1 南京航空航天大学 能源与动力学院, 江苏 南京 210016
2 南京航空航天大学材料科学与技术学院 江苏省能量转换材料与技术重点实验室, 江苏 南京 210016
采用共溅射法结合后硒化成功制备出CZTSSe薄膜, 主要研究了不同的硒化温度对CZTSSe薄膜与电池性能的影响。分别采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计、霍尔效应测量仪及数字电源表对不同硒化温度下制备的CZTSSe薄膜的结构、形貌、光电与太阳电池性能进行了表征与分析。结果表明, 当硒化温度为580 ℃时, CZTSSe薄膜的结晶性最好, 薄膜表面均匀致密且其电阻率和载流子浓度达到最小值和最大值, 分别为1.57 Ω·cm和8.2×1017 cm-3, 该硒化温度下制备得到的CZTSSe太阳电池的短路电流和转换效率最高达到30.68 mA/cm2和5.17％。相对于550 ℃和600 ℃硒化温度下的CZTSSe太阳电池, 其光电转换效率分别提高了36％和6％。另外, 随着硒化温度的升高, CZTSSe薄膜在XRD中的(112)峰位和Raman中的A1模式振动峰位都向小衍射角和短波数方向移动, 薄膜的禁带宽度也从1.26 eV减小至1.21 eV。
铜锌硒硫硒 共溅射 硒化温度 电池性能 CZTSSe co-sputtering selenization temperature solar cell property
1 华东师范大学 电子工程系 极化材料与器件教育部重点实验室，上海200241
2 上海太阳能电池研究与发展中心，上海201201
3 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室，上海200083
采用后硒化Cu-Zn-Sn-S电沉积预制层的方法制备了铜锌锡硫硒薄膜，其中Cu-Zn-Sn-S预制层是通过含有不同浓度的硫代硫酸钠电解液电沉积而成的.实验发现，硒化前后薄膜的性质与硫代硫酸钠浓度密切相关.SEM，EDS，XRD，Raman和透射光谱分析表明，当硫代硫酸钠的浓度为5 mM时，沉积的薄膜形貌平整，晶粒明显，组分贫锌，具有单一的铜锌锡硫硒结构，且其带隙为1.11 eV; 在浓度高于5 mM下沉积的薄膜形貌粗糙并产生杂相硒化锡; 在浓度低于5 mM下沉积的薄膜组分严重贫锌并生成大量的Cu2SnSe3.
共电沉积 硫代硫酸钠浓度 硒化 铜锌锡硫硒薄膜 Cu2ZnSn(S Se)4 thin film Na2S2O3·5H2O concentration co-electroplating selenization
