铜锌锡硫薄膜太阳电池方向的发展进展.docxVIP

XINYUUNIVERSITY成 绩批阅老师太阳电池薄膜技术作业题目铜锌锡硫薄膜太阳电池方向的发展进展二级学院新能源科学与工程学院专业12材料物理班级12级材料物理学 号1203210006学生姓名黄德界联系方锌锡硫薄膜太阳电池方向的发展进展摘要：近些年，人们越来越关注太阳辐射的光伏利用。光伏发电技术在迅猛发展，薄膜太阳电池从占有主导地位的硅晶片技术中抢占了一定的市场份额。其中铜锌锡硫薄膜太阳电池因具有低成本、高的光电转化效率和吸收系数、合适的禁带宽度和环境友好等优点成为近年来薄膜太阳电池研究的热点。本文阐述了铜锌锡硫薄膜太阳电池的器件结构和性能特点，介绍了铜锌锡硫薄膜太阳电池的制备方法和研究进展，并对今后主要的发展方向进行了展望。关键词：铜锌锡硫；薄膜太阳电池；光伏1引言为了缓解全球能源危机和气候变暖，新型能源尤其是太阳能光伏利用已成为世界各国的研究热点。太阳电池通过光生伏特效应将太阳能转换为电能，与石油、天然气、煤等传统化石能源相比，光伏发电具有清洁无污染的特点；与风电、水电、生物质能等可再生能源相比，太阳能资源更加丰富，据测算，全球太阳能可开采资源高达6000亿千瓦时[1]。铜锌锡硫薄膜太阳电池以其较低的成本、良好的光电特性、环境友好等特点日益受到人们的广泛关注，成为太阳电池材料的最佳选择之一。在过去几年，世界上多个研究小组分别采用热蒸发、喷雾热解和磁控溅射等方法成功制备出Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜材料，太阳电池的转换效率稳步提高。在取得巨大进展的同时，CZTS薄膜太阳电池的研究仍有急待解决的问题，例如具有单一相和精确原子配比的材料制备、具有最佳禁带宽度的相结构的精确控制等问题，导致目前太阳电池效率与理论效率之间的差距较大。因此，发展和完善材料制备技术，优化器件工艺，提高电池的光电转换效率，成为目前亟待解决的问题。2 CZTS薄膜太阳电池的器件结构CZTS薄膜太阳电池一般利用两种不同的半导体材料构成p-n结，其禁带宽度约为1.51eV，与太阳电池的最佳禁带宽(1.5eV)很接近，因而电池具有高的转换效率。异质结太阳电池中窗口层应具有较大的禁带宽度，厚度尽量薄，并且对吸收光谱有高的透过性，这样能量小于窗口层禁带宽度的光可以透过窗口层后被吸收层所吸收，进一步提高光电转换效率。通常CZTS薄膜太阳电池是在钼衬底或镀钼的钠钙玻璃衬底上制备p型Cu2ZnSnS4和n型CdS薄膜构成的异质结结构，其中CZTS吸收层禁带宽度为1.5eV左右，光吸收系数高达104cm-1；CdS缓冲层的禁带宽度为2.42eV，对可见光具有高的透过率(80%以上)，这两种材料都是直接带隙半导体。图1为CZTS薄膜太阳电池结构示意图，自下往上依次为：钠钙玻璃(SLG)、背电极(MO)、吸收层(CZTS)、缓冲层(CdS)、窗口层(ZnO)、透明导电层(ZAO，ITO)、金属(Al，Ag)栅状电极。图1　CZTS薄膜太阳电池结构示意图3　CZTS薄膜的制备方法目前制备CZTS薄膜的方法很多，主要有真空热蒸发法、电子束蒸发法、溅射法、喷雾热解法、电沉积法等。3.1　热蒸发法热蒸发法是利用高纯的单质或化合物在熔融状态下原子或分子从表面逸出，形成蒸汽流，在衬底表面沉积形成薄膜的一种物理沉积方法。这种制膜方法应用十分广泛。在热蒸发制备预制层过程中，会引起再蒸发问题。2010年，Weber等人研究了CZTS薄膜在热处理过程中锡的损失。结果发现，当温度高于350℃时，有SnS从CZTS薄膜中分解而导致Sn元素的流失，研究人员发现在腔室中通入惰性气体会减少CZTS薄膜在热处理时的分解[2]。2011年，这个问题被Redinger等人彻底地解决，他们在前驱体中添加额外的SnS和S来防止高温下CZTS薄膜中Sn的流失。3.2　电子束蒸发法电子束蒸发法是基于电子在电场的作用下，获得动能轰击处于阳极的蒸发材料，使蒸发材料加热气化，从而实现蒸发镀膜。1996年，日本Nagaoka大学的Katagiri等人采用钠钙玻璃为衬底，使用电子束蒸发法制备金属预制层，然后硫化得到CZTS薄膜，制得结构为ZnO:Al/CdS/CZTS/MO/SLG的太阳电池，其光电转换效率为0.66%。为进一步提高CZTS薄膜太阳电池的转化效率，研究人员改变工艺条件，如以Cu、Sn(或者SnS2)和ZnS作为蒸镀原材料，改变蒸镀顺序，从一次蒸镀改为多层多次循环蒸镀，采用钠钙玻璃代替普通玻璃或者石英玻璃，最终制得的电池转化效率达到5.45%[3]。电子束蒸发法克服了电阻加热蒸发的许多缺点，特别适合制备高熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。现在实验室研究中，利用电子束蒸发法制备CZTS薄膜的研究最为广泛，且得到的薄膜表面形貌、物相配比和光电性能较好。3.3　溅射法溅射法是利用高