中间带材料CuGa1-x-yTixZnyS2和CuGa1-xSnxSe2薄膜的制备及其特性

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中间带太阳电池(IBSC)因其具有最高的理论转化效率(63.2%)备受科学家们广泛关注。黄铜矿结构的CuGaS2和Cu GaSe2具有较宽的光学带隙,不适合直接作为太阳电池光吸收层材料,然而通过掺杂,能够形成中间带材料,从而扩宽光吸收范围,增强光吸收,降低光学带隙。本文主要研究了Zn对Ti掺杂CuGaS2薄膜中间带的影响和Sn掺杂CuGaSe2薄膜的制备与性能研究。第一,采用Cu2S、Ga2S3、TiS2和Zn S作为原始材料,通过球磨、旋涂和退火的方式,制备CuGa1-x-yTixZnyS2薄膜。结果表明,在一定的Ti掺杂浓度下,通过掺杂Zn,能够调节Ti-CuGaS2中间带的位置,这种调节能力随着Ti掺杂浓度的提高而减弱,在不同的Ti和Zn掺杂浓度下,中间带的位置最大被调节了0.19eV。在较低的Ti掺杂浓度下,Zn的掺杂有益于CuGa1-x-yTixZnyS2薄膜的结晶性,使样品薄膜表面更加平整、致密。Cu、Ga、Ti、Zn和S元素在薄膜样品中分布均匀,球磨能够有效地将Ti和Zn共掺进CuGaS2薄膜。第二,选择CuSe和Ga2Se3作为原始材料,通过传统的球磨涂敷工艺制备CuGaSe2薄膜,结果得到,Cu GaSe2薄膜的最佳退火温度为600℃,时间为20min,其光学带隙Eg=1.65 eV。然后在CuGaSe2薄膜的制备工艺下,掺杂不同浓度的Sn。研究表明,随着Sn掺杂浓度的增加,Cu Ga1-xSnxSe2薄膜的(112)衍射峰轻微地向左偏移,证明了Sn有效地掺杂进CuGaSe2。Sn的掺杂在CuGaSe2薄膜的禁带中引入了中间带,随着Sn掺杂浓度的增加,不断增强光吸收,扩宽光吸收范围,减小光学带隙,电阻率呈线性减小,电导率不断增大。当掺杂浓度x=0.06时,薄膜样品的光学带隙Eg=1.41 eV最接近太阳电池材料的最佳禁带宽度值(1.45 eV),并且薄膜样品的电阻率达到最小值,电导率达到最大值。Cu、Ga、Se和Sn元素在所测薄膜表面分布均匀,没有局部团簇聚集的现象,球磨法可以有效的将Sn元素均匀的掺杂进CuGaSe2薄膜内,Cu Ga1-xSnxSe2薄膜能够作为一种新的中间带材料。
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