基于三步共蒸发方法制备铜锌锡硫光伏材料

In recent years, there is a rapid growth of the reseach interests on Cu2ZnSnS4 (CZTS) which is low cost and comparable to CIGS in optical and electrical properties. It is a candidate to achieve real low cost and high efficiency solar cells and make the PV electricity cheaper than the traditional one. To date, synthesis of CZTS is dominated by the solution methods and the sulfurizations of the sputtered precursors. Few work reported on co-evaporation of CZTS. We will focus on the fabrication of high quality CZTS by three-stage evaporation method. Based on the experiences of CIGS co-evaporation, we will design a Cu-rich growth to increase the grain sizes. More important, the subtle changes in the sample temperature will be used to control the chemical composition of CZTS precisely, which indicate a presence of Cu-rich phase. The main purpose of our work is to study the mechanism of the growth and find the way to control the reaction path. It is expected to develope a technology to achieve high quality CZTS thin film and increase the efficiency of CZTS solar cells.

近年来，铜锌锡硫（CZTS）成为薄膜光伏材料研究的热点。该材料原料成本低，储量丰富，光电性质与铜铟镓硒类似，有望利用这一材料构建新一代的高效低成本太阳能电池并实现光伏发电成本低于传统电力的目标。目前该材料的制备工艺以液相法和溅射硫化法居多，在共蒸发工艺方面的研究鲜有报道。本项目将利用三步共蒸发法制备高质量的CZTS材料。借鉴CIGS工艺，利用富铜相辅助晶体生长，利用薄膜热辐射度的变化监测过量富铜相手段来有效控制CZTS的组分配比。项目将研究三步法中相关的材料生长反应路径与机理，力争寻找到制备高质量CZTS的技术方案，为提高CZTS电池效率提供指导。

铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池实验室效率已提高到晶硅水平，技术已从实验室走向规模化生产。但是一方面此类黄铜矿结构的光伏材料在薄膜制备中还有一些机理需要进一步探究明晰。另一方面从研究机构到产业界都密切关注着铟、镓材料的替代，以期达到更低的成本。但是在理论上最为可行的铜锌锡硫硒CZTSe（S）体系中，传统的真空镀膜方式遇到了挑战，器件效率远低于CIGS。. 在此背景下本项目从CIGS制备出发，提炼共性问题，研究了硒分压的影响，开发了分段式组分主动调节方法，提升了CIGS电池效率水平至19.42%。 在此基础上项目开展在CZTSe（S）体系的薄膜制备与研究工作。首先实验验证了CuxSey相导致的薄膜热辐射性能突变的现象在CZTSe中同样存在，可以利用这一现象指示铜过量，为薄膜品质监控提供在线手段。其次系统分析了易流失元素Sn相关的二元、三元相分解与衬底温度的关系。基于此，借鉴CIGS中的分压影响及分段控制思想设计出低温蒸发，高温退火的两段法薄膜制备方案，有效遏制了Sn元素的流失。为了遏制VI族元素流失，以CZTSe体系对比了三种不同的补硒方案。结合低温蒸发高温退火及补Se（S）方案，制备的CZTSe及CZTS的最高效率达到6.8%、6.83%。这种方案为CZTS进一步的制备研究提供了一种可行的技术路线。但是效率水平和可重复性还需要继续提高。