摻雜和流動相對銅鋅錫硫薄膜生長的影響及機理研究

《摻雜和流動相對銅鋅錫硫薄膜生長的影響及機理研究》是依託電子科技大學,由向勇擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：摻雜和流動相對銅鋅錫硫薄膜生長的影響及機理研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：向勇

項目摘要

銅鋅錫硫薄膜太陽電池的發展受限於吸收層材料的製備。現有工藝一般通過前體元素或二元硫化物合成目標化合物再通過原位或後續退火獲得多晶銅鋅錫硫薄膜，所獲薄膜存在較多晶格缺陷和微觀形貌較差等問題。本項目提出在銅鋅錫硫薄膜中引入摻雜元素和流動相來促進目標化合物合成、薄膜生長結晶等動力學過程，從而改善薄膜微觀結構、減少雜相和晶格缺陷，並通過流動相促進原子擴散的機理來建立相應物理模型。磁控濺射因設備昂貴不適合規模化生產低成本薄膜電池，但因其成膜質量高、成分控制精確、雜質少等優點非常適合實驗室研究，因此被選為本項目機理研究的實驗手段。同時，本項目還研究摻雜元素對銅鋅錫硫薄膜半導體性能尤其是能帶結構的影響，並建立摻雜濃度與薄膜帶隙值之間定量的經驗關係模型。在理解摻雜和流動相對銅鋅錫硫薄膜生長結晶的影響機制和對能帶調製機制的基礎上，建立銅鋅錫硫薄膜太陽電池體系吸收層能帶結構和微觀形貌的最佳化參考。

結題摘要

本項目針對Cu2ZnSnS4四元材料體系的晶體生長、能帶調節和薄膜製備的基礎問題展開研究。通過系統研究Sb摻雜對Cu2ZnSnS4及其結構類似物Cu(In,Ga)Se2的晶體生長動力學促進作用和相關機理，我們發現低溫流動相的引入是Sb促進這兩類化合物生成和晶體生長的可能原因。而且，Sb對Cu2ZnSnSe4生成過程中的關鍵中間體Cu2Se的物相生長起著調節作用，使之從穩定物相變為亞穩態物相。本項目還研究了同族元素替代對銅鋅錫硫類材料的能帶調節作用，Cu2ZnSnS4中的Sn和S元素的分別由Ge和Se元素部分和完全替代，能夠調節材料的能頻寬度，從而改變其光電性質。在合成Cu2ZnSn(S,Se)4材料中，我們通過對單質硒的還原活化，提高了其硒化反應的反應速率，並且驗證了這一方法適用於合成S/Se比例可調、能帶可調的多種金屬硫族化合物。在理解了摻雜和流動相對Cu2ZnSnS4的生成和晶體生長的影響機制和替代元素對能帶調節機制的基礎上，我們研究了Cu2ZnSnS4薄膜的製備方法。金屬銅和錫共濺射隨後在封管條件下高溫硫化，生成了由柱狀晶組成的高質量Cu2SnS3薄膜，該方法也適用於Cu2ZnSnS4薄膜的製備。我們還開發了由金屬氧化物前驅體薄膜直接硫化或硒化製備Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4薄膜的方法，該路線原料易得、操作簡便，具有大規模套用前景。項目研究成果共發表SCI論文5篇。這些研究成果揭示了摻雜作用下Cu2ZnSnS4材料體系生成過程的機理，提出了能帶可調的Cu2ZnSnS4材料體系的合成新方法學，為今後進一步研究高效率的光電器件打下了堅實基礎。因此，項目完成了預定目標。