Cu2ZnSnS4纳米晶制备、光电特性及低成本光伏电池的研究

Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜具有与太阳光谱相匹配的直接带隙(1.4-1.5eV)，对可见光较高的吸收系数(大于104cm-1)，且不含稀有元素，是一种极具潜力的新型薄膜光伏电池吸收材料。目前，在提高CZTS薄膜光伏电池转换效率的同时如何降低其制作成本是研究热点之一。本项目拟提出一种基于湿化学法制备低成本CZTS薄膜光伏电池的思路：基于化学溶液法制备CZTS纳米晶薄膜为光吸收层，分别采用化学水浴法和溶胶-凝胶法制备ZnO缓冲层和ZnO:Al窗口层材料。通过研究CZTS纳米晶及其薄膜的调控合成机制和制约光伏电池转换效率的机理, 提高纳米晶及其薄膜质量和光电特性，制备出具有一定转换效率的低成本Cu2ZnSnS4纳米晶薄膜光伏电池。本项目研究不仅对深入了解CZTS纳米晶薄膜光伏电池运行的基本物理过程具有重要的科学意义，对促进低成本、大面积CZTS薄膜太阳电池商业化应用也具有现实的指导作用。

利用太阳能进行光伏发电是同时解决“能源短缺”和“环境污染” 两大难题的最佳选择之一。Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜具有与太阳光谱相匹配的直接带隙(1.4-1.5eV)，对可见光较高的吸收系数(大于104cm-1)，且不含稀有元素，是一种极具潜力的新型薄膜太阳电池吸收材料。本项目以CZTS纳米晶及其薄膜的制备和光电性能优化，纳米晶薄膜光伏器件制备和性能优化为主要研究内容。主要取得如下研究成果：分别基于热注入法和溶剂热法制备了CZTS纳米晶，并对其结构、组分、形貌等特征参数进行了调控；所制得的CZTS纳米晶带隙在1.5eV，非常适合作为光伏电池吸收层材料。分别基于旋涂、滴涂和丝网印刷法在FTO或者Mo衬底上制备了CZTS纳米晶薄膜，总结了致密、均匀、且有良好光电特性的纳米晶薄膜制备工艺。研究了CZTS纳米晶薄膜光伏电池CdS缓冲层的化学水浴制备工艺，获得了高质量缓冲层的最佳制备工艺。制备了CZTS纳米晶薄膜光伏电池，转换效率达到0.9％，为进一步优化电池结构和工艺，提高电池转换效率打下了坚实的基础。