《低成本環保型Cu2ZnSnS4/a-Si太陽電池材料與光伏性能的研究》是依託南京航空航天大學，由沈鴻烈擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：低成本環保型Cu2ZnSnS4/a-Si太陽電池材料與光伏性能的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈鴻烈
- 依託單位：南京航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Cu2ZnSnS4 (CZTS)有很大的光吸收係數和接近1.5eV的光學帶隙，非常適合用作太陽電池的光吸收層。與Cu(InGa)(S,Se)2相比，它有原料豐富和價格低廉的特點。擬採用射頻磁控濺射在玻璃襯底上濺射Zn、Sn和Cu多層膜，然後經硫化製備CZTS薄膜。採用阻擋層、分段升溫硫化和外電場誘導晶化等技術，探索製備性能優良的CZTS薄膜的規律；在結構、形貌、電學和光學性能分析的基礎上，用光電流回響譜和光致發光譜深入分析CZTS薄膜中的缺陷態並建立合理的材料物理模型進行解釋；用熱絲CVD方法在CZTS薄膜表面沉積無毒的n型a-Si薄膜構建CZTS/a-Si太陽電池，通過測量電池的變溫I-V曲線和量子效率，探討影響CZTS/a-Si太陽電池光伏性能的微觀機理，進而最佳化器件結構和製備工藝，為在廉價襯底上研製與開發出性能好、成本低的新一代環保型CZTS薄膜太陽電池提供實驗依據和指導思路。
結題摘要
Cu2ZnSnS4 (CZTS)薄膜具有與CIGS相似的結構，且所含的四種元素在地殼中儲量豐富且無毒。CZTS的光學帶隙約為1.5 eV，其吸收係數大於10000cm-1。CZTS太陽電池理論轉化效率高達32.4%，具有非常大的套用前景。 在理論計算CZTS薄膜物理性能的基礎上，本項目重點用磁控濺射加後續硫化的二步法研製了CZTS薄膜，研究了各金屬層厚度、金屬層濺射順序、多靶共濺射、濺射參數以及硫源種類、硫化工藝參數和前驅體預熱處理等對CZTS薄膜的結構、電學和光學性能的影響，摸索出了製備性能優良的CZTS薄膜的規律。發現不同硫化溫度下得到的CZTS薄膜禁頻寬度均約1.5eV。500℃溫度硫化後，樣品表面緻密、晶粒尺寸最大，暗電阻率和光電阻率最低，且光敏性最強(ρdark/ρlight比值最大為12.5)。還探索了用化學溶液法、電沉積法以及微波溶液合成法製備性能優良的CZTS薄膜的實驗規律。 本項目創新性地以無毒的a-Si薄膜作為CZTS太陽電池的緩衝層代替目前普遍採用的有毒性的CdS薄膜緩衝層，構建了CZTS/a-Si這種新型低成本環保型薄膜太陽電池。系統地研究了熱絲CVD系統中熱絲的溫度、H2稀釋比、襯底溫度及襯底類型等對熱絲CVD沉積a-Si薄膜性能的影響。在最佳化條件下製備的a-Si薄膜拉曼頻移峰位在488cm-1，光學帶隙值約為1.89eV。a-Si薄膜緻密均勻，適合作為太陽電池緩衝層薄膜。通過測量太陽電池的I-V曲線和量子效率，發現CZTS/a-Si異質結的界面對太陽電池性能的影響很大。通過在界面處插入一層i-a-Si層，最終研製的CZTS/i-a-Si/n-a-Si異質結太陽電池的性能參數較CZTS/n-a-Si異質結太陽電池明顯提升，反向飽和電流下降了約一個數量級，電池的光電轉換效率比沒有加入i-a-Si薄膜的太陽電池效率提升了139%。 本項目的順利完成，為將來研製與開發出光電性能好、成本低且環保的新一代CZTS薄膜太陽電池提供了堅實的實驗基礎與科學依據。
