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Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池吸收层

以金属盐氯化铜、氯化锌、氯化锡为原料,单乙醇胺和乙二醇甲醚作为溶剂,采用溶胶-凝胶法结合旋涂技术获得前驱体薄膜,分别经120℃和300℃的热板干燥后,在双温区管式炉中,于硫蒸气下硫化制备Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线能量色散谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)等一系列测试设备对样品的结构、各组分的含量、表面形貌和光带隙进行表征分析。研究结果表明,CZTS前驱体薄膜在120℃的热板上干燥后,再经500℃硫化可制备出纯净的CZTS薄膜,禁带宽度接近1.52eV。     

H2S气氛下硫化温度对Cu2ZnSnS4薄膜性能影响的研究

用磁控溅射法在玻璃衬底上沉积Zn/Sn/Cu预置层,然后再在H2S气氛下将其硫化制成Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜。研究了不同硫化温度(460,500,540和580℃)对CZTS薄膜性能的影响。采用X射线衍射、Raman、扫描电镜、能量色散谱和紫外-可见-近红外分光光度计表征薄膜的物相、表面形貌和光学性能。结果表明,在不同硫化温度下都成功制备了CZTS薄膜。当硫化温度为540℃时,制备的薄膜晶粒达到2μm,结晶性最好,表面致密光滑,而且它的吸收系数大于7×104cm-1,禁带宽度为1.49 e V。硫化温度较低(460℃)时,含有Cu2-xS杂质相,表面存在孔洞。而硫化温度较高(580℃)时,晶界处会产生微裂纹。     

溶胶-凝胶法制备纳米薄膜的研究进展

溶胶-凝胶法是制备纳米薄膜的常用方法.综述了溶胶-凝胶法制备纳米薄膜的原理与特点及其最新研究进展,最后指出了溶胶-凝胶法制备纳米薄膜今后急需解决的问题.     

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。     

溶胶-凝胶硫化法制备Cu_2ZnSnS_4薄膜及其性能研究

采用溶胶-凝胶法制备Cu-Zn-Sn-S前驱体薄膜,在氩及硫两种气氛下对前驱体进行480℃热处理。利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对薄膜的微观结构、表面形貌和光学性能进行表征。研究结果表明,前驱体薄膜在硫气氛下热处理生成CZTS相,其形貌为花状,尺寸大小约为1.8μm。硫化后的薄膜具有较大的吸收系数,测试后估算其禁带宽度约为1.5eV。     

硫化温度对铜锌锡硫薄膜特性的影响

采用预制膜硫化法制备铜锌锡硫(CZTS)薄膜,分别在350,400,450,500,550℃进行硫化,研究了硫化温度对薄膜特性的影响。结果表明:硫化温度低于400℃时硫化反应基本上不发生,主要发生Cu6Sn5和Cu5Zn8两相中元素相互扩散的合金化过程,只有少量硫化物Sn3S4和ZnS生成;硫化温度为450℃时,合金相消失,硫化后的薄膜同时含有CZTS和SnS;硫化温度为500℃时薄膜的主要组成相为CZTS,其晶粒尺寸达2μm,但表面粗糙;硫化温度为550℃薄膜中CZTS晶粒尺寸约为2μm,表面平整。     

溶胶-凝胶法制备AZO薄膜的研究进展

综述了采用溶胶-凝胶法制备AZO薄膜的进展,阐述了影响AZO薄膜光电特性的主要工艺参数,分析了陈化时间、热处理工艺、铝掺杂量、催化剂种类及薄膜厚度因素等对AZO薄膜结构、光电性能的影响,指出了溶胶-凝胶法制备AZO薄膜的优势与不足,展望了未来的研究方向.     

溶胶-凝胶法制备太阳能薄膜的研究及展望

介绍了溶胶-凝胶法的反应机理、工艺过程,着重介绍了太阳能光电/光热转换的原理、薄膜的分类以及最新研究现状,指出采用溶胶-凝胶法可获得高效率太阳能薄膜,并展望了溶胶-凝胶法在太阳能薄膜制备方面的发展趋势及应用前景.     

太阳光热转换吸收薄膜制备方法:现状与发展

在简要叙述太阳光热转换吸收薄膜原理以及当前常用的电镀法和物理气相沉积法制备技术的基础上,着重阐述了作为湿化学技术的溶胶-凝胶法制备太阳光热转换吸收薄膜的进展,结合当前获得的以溶胶-凝胶法分别在甲醇和乙醇中制备Ni-Al_2O_3金属陶瓷薄膜的2个例子,讨论了溶胶-凝胶法需要注意的几个问题,提出了发展水基溶胶-凝胶法的方向.     

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.     

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。     

Fabrication and characterization of Cu2ZnSnS4 thin films deposited by spray pyrolysis technique

We have investigated synthesis conditions and some properties of sprayed Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) thin films in order to determine the best preparation conditions for the realization of CZTS based photovoltaic solar cells. The thin films are made by means of spraying of aqueous solutions containing copper chloride, zinc chloride, tin chloride and thiourea on heated glass substrates at various temperatures. In order to optimize the synthesis conditions of the CZTS films, two series of experiments are performed. In the first series the sprayed duration was fixed at 30 min and in the second it is fixed at 60 min. In each series, the substrate temperature was changed from 553°K to 633°K. The X-ray diffraction shows, on one hand, that the best crystallinity was obtained for 613°K as substrate temperature and 60 min as sprayed duration. On the other hand, these CZTS films exhibit the kesterite structure with preferential orientation along the [112] direction. Atomical Force Microscopy was used to determine the grain sizes and the roughness of these CZTS thin film. After the annealing treatment, we estimated the optical band-gap energy of the CZTS thin film exhibiting the best crystallinity as 1.5 eV which is quite close to the optimum value for a solar cell.     

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。     

Cu2ZnSnS4-type thin film solar cells using abundant materials

The development of environment friendly type thin film solar cell Cu₂ZnSnS₄ (say CZTS-type) fabricated using abundant materials is introduced in this paper. Three RF sources co-sputtering continued with vapor phase sulfurization method (inline-type vacuum apparatus) is utilized. Those processes were sequentially done in different apparatus in our previous work. In this study, an inline-type vacuum apparatus is firstly introduced to acquire higher quality of CZTS films. Inductively Coupled Plasma Spectroscopy (ICPS) is used to analyze the minute material composition of CZTS thin film solar cell. By optimizing the material composition, 5.74% of conversion efficiency is obtained. It is the best data for CZTS-type thin film solar cells at present.     

Preparation of Cu2ZnSnS4 thin films by sulfurization of stacked metallic layers

Stacked precursors of Cu, Sn, and Zn were fabricated on glass/Mo substrates by electron beam evaporation. Six kinds of precursors with different stacking sequences were prepared by sequential evaporation of Cu, Sn, and Zn with substrate heating. The precursors were sulfurized at temperatures of 560 °C for 2 h in an atmosphere of N₂ + sulfur vapor to fabricate Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) thin films for solar cells. The sulfurized films exhibited X-ray diffraction peaks attributable to CZTS. Solar cells using CZTS thin films prepared from six kinds of precursors were fabricated. As a result, the solar cell using a CZTS thin film produced by sulfurization of the Mo/Zn/Cu/Sn precursor exhibited an open-circuit voltage of 478 mV, a short-circuit current of 9.78 mA/cm², a fill factor of 0.38, and a conversion efficiency of 1.79%.     

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。     

Na2S2O3浓度对共电沉积制备Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响

采用电化学沉积的方法在SnO2透明导电玻璃基底上沉积Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜,在氮气保护下对其进行进一步硫化,研究了溶液中不同Na2S2O3浓度对沉积薄膜性质的影响。运用X射线衍射、扫描电镜、紫外-可见光分光光度计和拉曼光谱等手段分别对薄膜进行表征。实验结果表明:随着浓度的增加,薄膜的结构和光学特性逐渐变好。当Na2S2O3的浓度为0.11 mol/L时,制得理想的具有类黝锡矿结构的CZTS薄膜,光学带隙1.51 eV。     

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。