单靶溅射制备铜锌锡硫（CZTS）薄膜及性能研究

发布时间：2025-06-19 22:33

　　铜锌锡硫（Cu₂ZnSnS₄,简写为CZTS）作为导电类型为P型的四元化合物半导体具有锌黄锡矿结构,与铜铟镓硒（CIGS）的黄铜矿结构相似,其组成元素无毒且在地壳中含量丰富,禁带宽度为1.5eV,具有较大的光吸收系数(大于10～4cm^-1),理论转换效率可达32.2%,被认为是薄膜太阳电池材料的最佳选择之一。目前,关于CZTS材料的基本特性已经有较深入的理论计算报道,但是CZTS薄膜太阳电池器件却有较高的制备难度。材料本身存在的杂相和缺陷,以及薄膜结晶质量和器件膜层间的晶格失配等原因都将会抑制CZTS太阳电池转换效率的提升。本文将主要针对以上问题,提出改善薄膜制备工艺的技术方法,具体工作如下:（1）采用单靶溅射制备CZTS预制层薄膜,研究不同退火温度对薄膜性能的影响,使用相关测试设备对制备的薄膜进行表征分析,结果表明在360℃低温合金30分钟后再在500℃下高温退火50分钟制备的薄膜结晶质量较好,表面平整致密。（2）研究原位退火工艺与传统溅射后合金退火制备薄膜的区别,实验表明,在溅射完毕后,采用原位退火工艺处理,能够得到晶...

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1.1(a)黄铜矿结构的CuInS2,(b)黄锡矿结构的CZTS,(c)锌黄锡矿结构的CZTS

如图1.1所示,CZTS四元化合物半导体的晶体结构可以看做是由最初的闪锌矿结构的ZnS演变而来,当Ⅱ族元素Zn原子被Ⅰ族元素Cu原子和Ⅲ族元素In原子替代后会生成黄铜矿结构的CuInS2,而当In原子又被Zn原子和Ⅳ族元素Sn原子以各占一半的形式替换,就会形成黄锡矿和锌黄锡矿两种....

图1.2 CZTS薄膜太阳电池主要结构

CZTS薄膜太阳电池与已经实现工业化生产的CIGS有着相似的器件结构和适合作为太阳电池吸收层材料的性质。如图1.2所示,CZTS薄膜太阳电池的组成自上而下分别是Ni-Al栅状电极(顶电极)、本征ZnO和掺Al的ZnO薄膜(窗口层)、CdS薄膜(缓冲层)、CZTS薄膜(吸收层)、M....

图1.3(a)CZTS薄膜太阳电池工作原理示意图(b)太阳电池等效电路图

其中n是二极管的理想因子,k是玻尔兹曼常数,T是开尔文温度。1.4CZTS薄膜的主要制备及表征方法

图2.1(a)真空磁控溅射的工作示意图(b)高真空多腔室磁控溅射成膜系统

实验采用磁控溅射制备Mo背电极、CZTS吸收层和ZnO及掺Al的ZnO窗口层,磁控溅射技术属于物理气相沉积,主要被用于制备金属、半导体和绝缘体等薄膜材料,其具有设备操作简单、镀膜面积大和成膜均匀性较好等优点。自20世纪70年代发展以来实现了材料制备的高速、低温和低损伤。主要工作原....

本文编号：4051019