论文部分内容阅读
随着越来越严峻的能源危机,迫切需要发展低成本且高效率的太阳能电池。当前,最为成熟的CuInxGa1-xS(Se)2(CIGS)薄膜太阳能电池,光电转换效率已经超过20%。然而,由于镓和铟在地球上储量稀少,限制了其规模化的发展。Cu2SnZnS4(CZTS)是一种四元的P型半导体,具有两种结构为四方晶系和六方晶系。CZTS的带隙为1.4-1.6 eV,与太阳能电池的最佳带隙接近,光吸收系数高达104 cm-1,并且组成元素地球储量丰富,无毒,对环境污染小,因此是一种新兴的候选光吸收材料。在本论文中,我们采用热分解法,以廉价的无机金属盐和有机金属化合物为原料,使用高沸点溶剂,成功地制备了形貌可控和相结构可控的CZTS纳米颗粒,并探讨和分析了不同反应条件对产物的影响。同时,我们将合成的纳米晶制备成CZTS薄膜,考察和测试薄膜的光电性能,比较不同形貌和相结构的CZTS纳米颗粒对薄膜光电性能的影响。本论文主要工作包括以下几个部分: (1)在本论文中,采用简单的热分解法,使用油胺和十八烯溶剂,升华硫、正十二硫醇为硫源,乙酰丙酮铜、乙酰丙酮锌和五水四氯化锡为前驱体,制备CZTS纳米颗粒,并XRD和SEM对产物进行表征。通过调节油胺和十八烯的比例、温度、正十二硫醇的量等因素,控制CZTS纳米材料的质量。结果表明,硫源和温度对CZTS的相结构有重要影响。升华硫作为硫源时,产物通常为四方结构,正十二硫醇作为硫源时,产物通常为六方结构。产物的最佳温度为230~250℃,温度越高,四方相的CZTS越容易生成,产物越容易团聚。SEM分析表明正十二硫醇的量和油胺对产物形貌有着重要影响。正十二硫醇的量越多,产物的六方相越纯,颗粒形貌越均匀。当仅使用正十二硫醇为溶剂时,产物为片状的CZTS纳米颗粒。因此,我们成功地合成了四方晶系的球形、六方晶系的球形和片状单分散的CZTS纳米颗粒。最后,我们比较了不同形貌的CZTS颗粒的UV-Vis吸收光谱,并计算其禁带宽度,发现四方晶系球形纳米晶的禁带宽度为~1.4 eV,六方晶系球形纳米晶的禁带宽度为~1.4 eV,片状纳米晶的禁带宽度为~1.55 eV。 (2)使用喷射沉积法将合成的三种形貌的纳米颗粒制备CZTS光吸收层,通过使用不同温度下在5%H2S+95%N2的混合气下烧结,使用XRD和SEM考察烧结后薄膜的质量。结果发现,片状CZTS纳米颗粒制成的薄膜厚度薄,膜致密,明显优于球形的CZTS纳米颗粒制成的薄膜。最后,我们尝试将制备的CZTS薄膜,组装成简单的光电响应装置,使用I-V曲线测试薄膜在黑暗和光照下光电性能,探讨使用不同形貌的CZTS制备的薄膜对光电流的影响。实验结果表明,CZTS纳米片的光电性能明显优于纳米球。