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太阳能是地球上取之不尽洁净环保的能源,人类利用光伏效应使太阳能转化为电能以致太阳能利用领域更加广阔,因此太阳能电池可以非常理想地解决当今人类社会必须面对的能源问题。研究薄膜太阳能电池成为目前研究的主要方向。SnS和ZnO由于其优异的性能分别被看作是很有前景的太阳能电池的吸收层和窗口层材料之一。在本论文中,采用真空蒸发法制备SnS薄膜,表征了不同衬底温度、不同掺杂物质、不同掺杂量和不同热处理条件下制备的SnS薄膜的性能,分析了SnS薄膜的晶体结构、表面形貌、电学和光学性能的各种参数。ZnO薄膜采用射频磁控溅射法制备,研究了不同溅射功率,不同工作气压和不同沉积时间等对ZnO薄膜晶体结构和光学性能的影响。最后简单的试制及测试了ZnO/SnS薄膜异质结太阳能电池。研究工作主要获得了以下结果:
1.采用真空蒸发法制备SnS薄膜。SnS薄膜的各种特性都与衬底温度有显著的关系,得出最佳的衬底温度为150℃。为了得到低阻的SnS薄膜,对其进行了掺杂和退火处理。比较合适的掺杂物质为Sb2O3,Sb2O3的最佳掺入量为0.2wt%。对掺杂0.2wt% Sb2O3的SnS薄膜在不同条件下进行热处理,最佳的热处理温度为400℃,最佳的热处理时间为3小时。
2.采用射频磁控溅射法制备ZnO薄膜。在SnS衬底上制备一层纯ZnO薄膜以作为太阳能电池的窗口层的一部分,优化了ZnO薄膜的工艺条件,得出优化的沉积条件:溅射功率为150W,工作气压为0.3Pa,沉积时间为40mm。在该条件下制备出来的ZnO薄膜c轴取向好,半高宽(FWHM)较小,晶粒尺寸较大,晶格常数接近于标准晶胞参数,平均透射率达82.32%。利用霍尔效应测试系统对比了氧等离子体预处理前后ZnO薄膜的电阻率,分别为4.893×104Ω·cm和2.0548×105Ω·cm,经氧等离子体预处理的薄膜电阻率略高于未经处理的样品。
3.ZnO/SnS薄膜异质结太阳能电池的试制。在30mW/cm2光照强度的条件下,测得开路电压Voc=0.79V,短路电流Isc=1.2×10-6A,填充因子FF约为0.32,转换效率η约为0.75%。