文档介绍：学校代号 10530 学号 201010081169
分类号密级

硕士学位论文

Cu2ZnSnS4 薄膜的溶胶-凝胶法制备及其
性能研究

学位申请人张克栋
指导教师钟向丽教授
学院名称材料与光电物理学院
学科专业材料科学与工程
研究方向半导体材料与器件
二 O 一三年六月九日
Preparation of Cu2ZnSnS4 thin films using sol-gel
method and the study of their properties

Candidate Kedong Zhang
Supervisor Professor Xiangli Zhong
College Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics
Program Semiconductor Materials and Devices
Specialization Materials Science and Engineering
Degree Master of Engineering
University Xiangtan University
Date June 9, 2013
湘潭大学
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摘要

摘要
近年来太阳能光伏发电在全球范围内得到了迅速发展。薄膜太阳能电池因为
具有成本低、质量轻并且可柔性化等优点在太阳能电池中占有了一定的市场。理
论预测 Cu2ZnSnS4 (CZTS)和 Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)四元硫族化合物薄膜太阳能电
池具有较高的光电转换效率,并且该类化合物可由廉价无毒的原料合成,因而受
到人们的高度关注。本文采用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备了 CZTS 薄膜,并研究了
热分解工艺和退火工艺对 CZTS 薄膜性能的影响。在此基础上,制备了 CZTS/ZnO
半导体异质结,并研究了其光电性能。主要内容和结论如下:
(1) 以二甲基亚砜为溶剂,以硝酸铜、醋酸锌、氯化亚锡和硫脲为原料,利
用溶胶-凝胶法配制了 CZTS 前驱体溶液;并对其进行了热重和差热分析。结果
表明前驱体溶液在 150 ℃、180 ℃和 280 ℃存在明显热分解反应。然后分别取
适量前驱体溶液在 180 ℃、280 ℃和 530 ℃进行干燥,将所得产物进行傅里叶
红外光谱分析,结果显示有机物在 280 ℃基本分解完全。热分析和红外光谱结
果说明后续薄膜制备的合适热分解温度点为 280 ℃。
(2) 将上述前驱体溶液利用旋涂方法在镀钼玻璃衬底上制备了薄膜,研究了
逐层热处理工艺对薄膜的形貌、晶体结构和电学性能的影响。结果表明制备的薄
膜都为锌黄锡矿结构的 CZTS 薄膜。采用逐层热分解退火热处理工艺制备的
CZTS 薄膜没有碳杂质的残留,颗粒尺寸达 2 um,薄膜具有更小的电阻,在光照
下有明显的光电导现象。而采用逐层退火热处理工艺制备的 CZTS 薄膜存在碳杂
质,晶粒细小,并且含有 CuS 杂质相,薄膜具有较大的电阻。
(3) 分别研究了退火时间(10 min、20 min、30 min)和退火过程中 Sn 浓度对
薄膜晶相的影响。发现经 10 min 退火的 CZTS 薄膜无相分离;而随着退火时间
的延长,薄膜发生了相分离;适量的 Sn 补偿可以缓解相分离的出现。
(4) 在上述研究基础上,用溶胶-凝胶法制备了 CZTS/ZnO 半导体异质结,并
分析了 I-V 特性。结果显示制备的 CZTS/ZnO 异质结具有较好的二极管特性;在
光照下,电流明显增大;随着光照时间的延长,光电流也会增