新型铜硫系薄膜太阳能电池材料制备的研究进展

薄膜太阳能电池提供了低成本、大面积的无碳发电应用前景，迅猛发展的纳米科技为高转换效率薄膜太阳能电池的低成本制造提供了新途径。新型铜硫系半导体Cu。ZnSnS4（CZTS）薄膜材料具有禁带宽度与太阳辐射匹配性好、光吸收系数大、元素丰度大、价格便宜、无毒等优点，因此将成为最具发展前景的薄膜太阳能电池材料。讨论与分析了CZT...     

溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫材料的研究进展

四元硫化物铜锌锡硫(CZTS)是一种新型薄膜太阳电池材料,具有锌黄锡矿结构,呈p型导电性,带隙约为1.5eV,光学吸收系数高于10~4cm~(-1),这些特性与太阳光谱相匹配。基于上述原因,CZTS薄膜是一种有望能低成本、可规模化开发利用的新型薄膜太阳电池材料。简要阐述了CZTS性质及其薄膜太阳能电池的器件结构,详细介绍了溶胶-凝胶方法制备CZTS薄膜及其相应器件效率的研究进展。最后,总结了此方法制备CZTS薄膜及其相关电池性能难以突破的关键技术问题,并提出了有效的改进措施,对CZTS薄膜太阳电池未来的研究进行了展望。     

溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫薄膜及其太阳能电池的研究进展

原料丰富价廉的铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)材料与非真空、低成本绿色溶胶-凝胶法相结合在产业化制造高性价比CZTS薄膜太阳能电池方面的应用引人关注。为了了解未来发展方向,综述了溶胶-凝胶法制备CZTS薄膜与器件的研究进展,讨论了不同溶胶-凝胶工艺途径、不同溶剂、硫化等对CZTS薄膜制备与器件特性的影响,分析了Na掺杂及硫化退火对CZTS薄膜的作用,并结合绿色制造的要求探讨了其发展趋势。     

磁控溅射制备Cu2ZnSnS4薄膜的研究进展

Cu_2ZnSnS_4(CZTS)薄膜由于其合适的禁带宽度、高的光吸收系数以及组分无毒、储量丰富等特性,被视为薄膜太阳能电池最佳的吸收层材料之一。磁控溅射是制备CZTS薄膜的主要方法之一,因为其制备过程相对简单且可以产业化,一直是太阳能电池领域的研究热点。从磁控溅射制备CZTS薄膜的3种路径出发,综述了近年来各种路径在制备CZTS薄膜方面的研究进展,比较了3种路径的优缺点,同时对磁控溅射制备CZTS薄膜的发展前景进行了展望。     

Cu_2ZnSnS_4薄膜的研究进展

Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳能电池具有低成本、高效率、安全无毒等优点,是最具发展前景的太阳能电池之一,近几年来开始受到广泛关注。简要介绍了国内外几种制备Cu2ZnSnS4薄膜的方法,包括蒸发法、溅射法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法、喷涂热解法、Sol-gel法、丝网印刷法,并阐述了这几种方法的优点及存在的问题,展望了今后CZTS薄膜的研究方向,认为通过溶剂热或热注入法制备出CZTS纳米晶体后,再通过丝网印刷法或旋涂等法制成CZTS薄膜能降低生产成本,在电池的工业化生产中具有很广阔的应用前景。     

阳离子部分取代Cu2ZnSnS4的研究进展

P型半导体Cu_2ZnSnS_4(CZTS)由于具有最佳的直接带隙(1.0~1.5eV)、高的光吸收系数(超过104 cm~(-1))以及丰富、无毒的元素组成,使其成为商业化低成本太阳能电池最有希望的候选材料之一。然而,材料本身的一些缺陷制约了CZTS薄膜太阳能电池效率的提高。为了提高CZTS薄膜太阳能电池的效率,研究者们使用其他阳离子部分取代Cu、Zn或Sn来改善CZTS的缺陷。从CZTS的3种不同取代位置出发,综述了近年来各种阳离子部分取代CZTS的研究进展,同时对阳离子部分取代CZTS材料的发展前景进行了展望。     

CZTS薄膜太阳能电池无镉缓冲层材料的研究进展

Cu(In,Ga) Se_2(CIGS)薄膜太阳能电池是单结转换效率最高(～22. 6%)的光伏器件,但In、Ga是稀缺元素,从而限制了CIGS电池的产业化。新型材料Cu_2ZnSnS_4(CZTS)是结构与光电性能均与CIGS十分相似的直接带隙半导体材料,它在CIGS器件结构中可替代CIGS吸收层,并得到新型CZTS薄膜太阳能电池。与CIGS相反,CZTS的原料丰富、无毒。大量研究表明,CZTS薄膜太阳能电池具有较高的转换效率和良好的稳定性,且可采用低成本、非真空的溶液法薄膜沉积技术来制造,因此CZTS器件是一种低成本、环境友好、极具产业化前景的薄膜太阳能电池。CZTS器件具有与CIGS器件一样的堆层结构{SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/n-ZnO},目前转换效率最高(～12. 6%)的CZTS器件仍沿用CIGS器件的CdS缓冲层,因而大规模生产与应用中存在高毒重金属镉污染的危险,寻找能替代CdS的无镉缓冲层材料来消除潜在的镉污染问题十分必要。此外,与高效率的{CIGS/CdS}器件相比,{CZTS/CdS}器件界面的能带匹配可能并不是最优,CZTS器件的转换效率还远不如CIGS器件,因此需要寻找新的无镉缓冲层材料。在确定新缓冲层材料时,必须考虑{CZTS/新缓冲层}界面的能级对齐效应。CIGS和CZTS器件的缓冲层新材料基本上可归纳为3种半导体材料:硫化物、硫氧化物、氧化物。这些材料的薄膜均可用化学浴(CBD)法等多种方法来制备。材料选取很大程度上取决于其与CZTS或CIGS吸收层接触所形成界面上的导带带阶情况,因为导带带阶对器件性能参数有很大的影响。大的正导带带阶(尖刺状带阶)对少子(电子)收集存在一个势垒而降低短路电流密度J_(sc);相反,负导带带阶(断崖状带阶)导致缓冲层与吸收层界面上的复合增大而降低了开路电压V_(oc);理想情况是器件有一个小(0～0. 4 eV)的正导带带阶(尖刺状带阶),正如在使用CdS缓冲层的CIGSSe器件中所发现的那样。为了研发低成本、环境友好的CZTS电池器件的新型缓冲层材料,本文综述了CZTS和CIGS器件的无镉缓冲层材料的研究进展,讨论了无镉缓冲层材料的选用条件,以及多种硫化物(如ZnS和In_2S_3)、硫氧化物(如Zn(S,O)和In(S,O,OH))、氧化物(如ZnO、TiO_2、Zn_(1-x)Mg_xO_y和Zn_(1-x)Sn_xO_y等)薄膜作为CZTS缓冲层的性能特点(特别是它们的导带带阶)以及存在的问题,探讨了其发展方向。对于含硒CZTSSe器件,In2S3、Zn(S,O)是良好的无镉缓冲层材料,而对于更环保、低成本的全硫CZTS器件,Zn_(1-x)Mg_xO_y和Zn_(1-x)Sn_xO_y可提供良好性能的缓冲层。     

电沉积法制备铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的研究进展

直接禁带半导体材料铜锌锡硫(CZTS)四元硫化物是近年来研究较多的具有锌黄锡矿结构的化合物半导体,由于其光吸收系数较高,禁带宽度适中,是太阳能电池理想的候选材料,使其在薄膜太阳能电池中迅速崛起。由于目前报道的最高转换效率距离其理论转换效率还存在相当差距,因此,研究CZTS(Se)四元硫(硒)化物半导体仍然是当前的研究热点之一。简单介绍了CZTS薄膜太阳能电池的结构组成,并详细介绍了3种主要制备CZTS薄膜的电沉积方法,即分步沉积Cu/Sn/Zn金属层、连续沉积Cu-Zn-Sn金属层、一步沉积Cu-Zn-Sn-S(Se)制备CZTS薄膜太阳能电池吸收层的电化学技术及相应器件,对其研究进展进行了综述,指出了相应方法存在的问题。还将3种电沉积方法进行了分析比较,提出了优化方法,展望了未来的发展趋势。     

铜锌锡硫纳米颗粒制备的研究进展

Cu2ZnSnS4(CZTS)具有高达104 cm-1的吸收系数,其约1.45eV的禁带宽度与太阳光谱非常匹配,且CZTS所含元素无毒、在地球上含量丰富、价格低廉,适用于辊对辊、丝网印刷等非真空的低成本制造方法,这使得CZTS太阳电池已成为最具产业化发展潜力的薄膜太阳电池之一,因而最近几年倍受关注。低成本的非真空制造方法大都采用CZTS纳米颗粒或其纳米墨水,因此高质量的CZTS纳米粉体的低成本、绿色制备成为CZTS太阳电池器件制造的重要部分。对CZTS纳米颗粒及其纳米墨水的制备方法进行了综述,分析和讨论各种CZTS粉体的制备方法工艺特点及其优缺点,并探讨其发展趋势。     

制备硅薄膜太阳能电池的先进技术与实验研究

介绍了Si薄膜太阳能电池的材料与结构,重点介绍了几种叠层薄膜太阳能电池,详细阐述了近年发展的用于制备低成本、高效率Si薄膜太阳能电池的技术与最新的实验研究成果,其中高温沉积法、低温沉积法、层转移法尤为重要,展望了Si薄膜太阳能电池未来的技术发展和科研方向.三叠层薄膜太阳能电池是有发展前景的产品之一,更多叠层的薄膜太阳能电池与量子点叠层薄膜太阳能电池将长期作为实验研究的热门课题.     

Low-cost fabrication of Cu2ZnSnS4 thin films for solar cell absorber layers

A new and low-cost chemical method is used to fabricate Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) thin films by annealing Cu–Sn metallic inks with spin-coating ZnO layers under H₂S. The obtained pure phase and smooth CZTS thin films are characterized by means of X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Further, the CZTS thin films are grown on n-type Si substrates to form proto-type CZTS/Si heterojunction solar cells that have photovoltaic properties, indicating the promising application of CZTS as the absorber layers in Si-based heterojunction solar cells.     

Development of CZTS-based thin film solar cells

The low cost, environmental harmless Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)-based thin film solar cells are fabricated by using abundant materials. The CZTS film possesses promising characteristic optical properties; band-gap energy of about 1.5 eV and large absorption coefficient in the order of 10⁴ cm^− 1. All constituents of this CZTS film, which are abundant in the crust of the earth, are non-toxic. Therefore, if we can use CZTS film practically as the absorber of solar cells, we will be free from both of the resource saving problem and the environmental pollution.In our CZTS project, CZTS absorber films were prepared by two independent techniques. One is three rf sources co-sputtering followed by annealing in sulfurized atmosphere. The latest conversion efficiency of over 6.7% was achieved by this technique. The other is co-evaporation technique. CZTS films were grown on Si (100) by vacuum co-evaporation using elemental Cu, Sn, S and binary ZnS as sources. XRD patterns indicated that the polycrystalline growth was suppressed and the orientational growth was relatively induced in a film grown at higher temperatures.In this presentation, the development of CZTS-based thin film solar cells will be surveyed.     

Mg掺杂Cu2ZnSnS4的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对光伏材料Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)掺Mg进行了研究。通过建立Mg取代CZTS中Cu、Zn和Sn的点缺陷结构, 计算Mg掺杂缺陷的生成能及对CZTS电子结构的影响。计算结果表明掺Mg不引入深能级缺陷也不改变材料的禁带宽度; 并且富Sn条件更有利于Mg取代Cu形成施主缺陷, 使p型转变为n型。本研究可为CZTS太阳能电池掺Mg的应用研究提供理论基础。     

硫化物靶与单质靶制备Cu2ZnSnS4薄膜的比较研究

为了验证磁控溅射硫化物靶替代单质靶制备Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜及太阳电池的可行性与优越性, 采用多周期磁控溅射ZnS-Sn-CuS和Zn-Sn-Cu制备CZTS薄膜, 并分析了使用不同溅射靶材对薄膜晶体结构、相纯度、表面粗糙度、化学组分、表面、截面形貌及光电特性的影响。按SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni-Al结构制成完整的电池器件并测量了J-V曲线。结果显示采用ZnS-Sn-CuS靶制备的CZTS薄膜太阳电池开路电压为611 mV, 短路电流密度为21.28 mA/cm ², 光电转换效率达5.11%; 而以单质靶为基础制备的太阳电池开路电压为594 mV, 短路电流密度为18.56 mA/cm ², 光电转换效率为4.13%。这归因于采用ZnS-Sn-CuS制备的CZTS薄膜相比于单质靶更加平整致密, 纵向生长更好。证明了采用硫化物靶制备CZTS薄膜及太阳电池相较于单质靶的优越性。     

Cu2ZnSnS4 films by paste coating and their optoelectronic properties

Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) thin films were prepared by a paste coating method as the absorb layer of solar cells. This method is more eco-friendly using ethanol as solvent and more convenient than traditional sol–gel method. The effects of sulfurization temperature on properties of thin film were studied. The results of X-ray diffraction and Raman spectroscopy showed the formation of kesterite structure of CZTS films. The scanning electron microscopy images revealed that CZTS thin film obtained at 550 °C were compact and uniform. The optical band gap of the CZTS film was about 1.5 eV, and the CZTS film had an obvious optoelectronic response. Moreover, CZTS solar cell was prepared with a conversion efficiency of 0.47 %.