銅鋅錫硫硒薄膜太陽能電池吸收層薄膜質(zhì)量探究

王玲玲,王雁芹,2

(1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長春 130024;2.淄博齊盛高級中學(xué),山東 淄博 255095)

在眾多太陽能電池中,銅鋅錫硫硒[Cu2ZnSn(S,Se)4,CZTSSe]薄膜太陽能電池因具有吸光系數(shù)較高(>104cm-1)、帶隙結(jié)構(gòu)可調(diào)(1.0～1.5 eV連續(xù)可調(diào))、組成元素?zé)o毒且地殼儲量豐富等優(yōu)點而受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]. 自1988年觀察到Cu2ZnSn(S,Se)4材料的優(yōu)良光伏性能開始,對其研究已取得了較大的進展. 1996年,首個CZTSSe太陽能電池被制造,其效率僅為0.7%[3],在不斷優(yōu)化后,已取得了13.8%的最高效率[4]. CZTSSe太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率上已經(jīng)顯示出獨特的應(yīng)用價值,有望成為適合大規(guī)模應(yīng)用的高效率、低成本的太陽能電池,具有相對廣泛的應(yīng)用前景.

1 CZTSSe太陽能電池

圖1所示為CZTSSe太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖,太陽能電池是由多層薄膜組合而成,制備過程如下:

圖1 CZTSSe太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)

1)底層以鈉鈣玻璃(SLG)作為襯底,在SLG上磁控濺射約1 μm的Mo作為背電極,用于收集空穴.

2)在Mo背電極上制備CZTSSe的吸收層作為P型半導(dǎo)體,即太陽能電池的主體部分. 吸收層是吸收和利用太陽光的關(guān)鍵,質(zhì)量好的吸收層一般表面致密無孔,截面晶粒尺寸大,能夠被單層大顆粒貫穿,厚度在1 μm 以上.

3)通過化學(xué)水浴法沉積厚度約為50 nm的CdS作為緩沖層,CdS在電池中充當(dāng)N型半導(dǎo)體的一部分,主要用于減少吸收層與窗口層之間的晶格失配,同時調(diào)節(jié)二者之間的能帶匹配.

4)在CdS之上再濺射ZnO和ITO窗口層,作為N型區(qū)材料,該結(jié)構(gòu)是構(gòu)成異質(zhì)結(jié)及其內(nèi)建電場的重要部分.

5)蒸鍍Al柵極電極作為頂電極,用于收集電流.

CZTSSe吸收層的制備方法較多,主要分為真空法和非真空法[5]. 真空法又包括濺射法和蒸鍍法,真空法制備環(huán)境“干凈”,不易引入其他雜質(zhì),但由于真空法需要高昂的真空設(shè)備、空間有限的真空腔室,生產(chǎn)成本較高,制約了其大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用[6]. 而非真空法則可以降低生產(chǎn)成本,非真空法中的溶液法具有產(chǎn)量高、原料成本低的優(yōu)點,且能制備均勻性高的大面積薄膜. 在CZTSSe太陽能電池的研究中,很多的溶液體系被采用,例如乙二硫醇+乙二胺體系、二甲基亞砜(DMSO)體系等[7-8].

溶液法制備CZTSSe吸收層主要分為3步:

1)將薄膜所需金屬元素(Cu,Zn,Sn等)溶解于特定溶劑中,獲得前驅(qū)體溶液.

2)將前驅(qū)體溶液旋涂在干凈的Mo玻璃襯底上,通過加熱預(yù)燒,縮聚成膜,重復(fù)多次,獲得CZTS預(yù)制膜.

3)將預(yù)制膜在N2氣氛下進行硒化退火處理,使其在高溫下生長成為大晶粒.

在該過程中,第3步熱處理過程(即硒化過程)對CZTSSe吸收層的晶體質(zhì)量起著非常重要的作用,熱處理的結(jié)果會直接影響吸收層的結(jié)晶質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)等.

2 實驗設(shè)計

硒化過程的很多因素會直播影響CZTSSe吸收層的質(zhì)量,包括退火速率、退火溫度、退火時間等. 首先退火速率會影響晶粒的成相方式,快速退火情況下,預(yù)制膜中生成的各種二次相會直接反應(yīng)生成CZTSSe相;而在退火過程升溫速率較慢的情況下,各種二次相會先形成三元的Cu2SnSe3相,然后再與ZnSe二次相形成CZTSSe;在退火溫度過高,退火時間過長的情況下,可能會引起CZTSSe相的分解[4]. 文獻[9]研究表明:高溫(500～600 ℃)時,CZTSSe不穩(wěn)定,容易重新分解為二次相,而二次相的不穩(wěn)定揮發(fā),可能會在吸收層表面造成較大孔洞;相反,硒化溫度過低或者硒化時間過短,則會使CZTSSe結(jié)晶層底層存在大量未反應(yīng)完全的富碳小粒子層,同時CZTSSe本身晶體尺寸也會明顯變小,達不到高質(zhì)量結(jié)晶的要求. 因此,制備高質(zhì)量的薄膜太陽能電池吸收層需要兼顧熱處理的升溫速率、溫度及時間等因素.

基于硒化過程對吸收層的重要影響,從硒化工藝改善角度,分別從成相方式、硒化溫度以及硒化時間3個方面開展實驗設(shè)計與探究.

1)結(jié)合成相方式不同,嘗試不同退火方式,設(shè)計了一步退火和兩步退火2種硒化方式:一步退火是將溫度從室溫直接快速升溫到硒化所需的溫度560 ℃,直接進行硒化;兩步硒化是先將溫度從室溫升溫到350 ℃,保溫一段時間,讓Se蒸汽進入預(yù)制膜中,先形成三元相和二元相,然后再升溫到560 ℃進行退火. 觀察不同成相結(jié)晶方式對吸收層結(jié)晶、相純度以及最后的CZTSSe太陽能電池性能的影響.

2)系統(tǒng)地調(diào)節(jié)兩步硒化的硒化溫度和硒化時間,探究退火的溫度及時間對薄膜的結(jié)晶度、相純度等性質(zhì)的影響,并在此基礎(chǔ)上制備CZTSSe太陽能電池,研究硒化工藝對器件最終光電轉(zhuǎn)換性能的影響.

3)針對CZTSSe薄膜制備過程中影響薄膜質(zhì)量的硒化過程,整合硒化步驟、溫度、時間等制備條件,得出有效的CZTSSe薄膜制備硒化策略.

在實驗過程中,通過完整的問題分析討論、實驗方案設(shè)計以及結(jié)果表征分析,可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力,為理工學(xué)科綜合型人才培養(yǎng)提供有效的參考模式. 本實驗可作為大學(xué)本科材料物理等相關(guān)專業(yè)的探索類實驗課程題目. 開設(shè)對象為大學(xué)二、三年級本科生,也可面向相關(guān)專業(yè)研究生開放,課時設(shè)置為16～32學(xué)時,分小組授課,授課人數(shù)每組6～8人. 考核從文獻調(diào)研、實驗操作、數(shù)據(jù)分析處理3方面綜合考量,分別占比20%,20%及60%,以綜合評價學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力.

3 實 驗

3.1 CZTSSe吸收層的制備

3.1.1 CZTS預(yù)制膜的制備

圖2所示為CZTS預(yù)制膜的制備過程,主要分為2部分:

圖2 CZTS預(yù)制膜的制備流程示意圖

1)前驅(qū)體溶液的配制. 按照圖2所示流程,將Cu(CH3COO)2·H2O(1.12 mol/L),ZnCl2(0.81 mol/L),SnCl2·2H2O(0.68 mol/L)和硫脲(3.02 mol/L)溶于二甲基亞砜(DMSO)中,室溫下攪拌3 h,得到澄清透明的黃色溶液,即為CZTS前驅(qū)體溶液.

2)旋涂制備預(yù)制膜. 將前驅(qū)體溶液和干凈的Mo玻璃放入N2氣氛下的手套箱,采用旋涂法制備厚度約為1 μm的前驅(qū)膜.

3.1.2 CZTS預(yù)制膜硒化

硒化是將預(yù)制膜和Se粒放入石墨盒中,并將石墨盒放入快速升溫爐中,進行3～5次的N2吹掃,使得管內(nèi)充滿N2. 之后保持120 mg/L的N2流速,調(diào)控加熱溫度及時間,得到CZTSSe吸收層薄膜. 完整的硒化調(diào)控條件如表1所示.

表1 硒化調(diào)控條件表

硒化方法分為一步硒化和兩步硒化. 一步硒化為:經(jīng)過t升1將溫度從室溫升溫到T1,硒化時間為t硒1. 兩步硒化為:先經(jīng)過t升1將溫度從室溫升溫到T1,硒化時間為t硒1,然后再經(jīng)過t升2,將溫度從T1升溫到T2,硒化時間為t硒2.

硒化溫度的調(diào)控是在其他條件固定的前提下,分別改變第一次硒化溫度T1和第二次硒化溫度T2,設(shè)置了5種條件(見表1),并分別討論5種條件下的CZTSSe吸收層對太陽能電池性能的影響.

另外,在固定第一次硒化溫度(350 ℃)和硒化時間(5 min)的前提下,將條件1下樣品的第二次硒化時間從15 min延長到20 min,分別標(biāo)記為:條件1(15 min)、條件1(20 min);將條件2下樣品的第二次硒化時間從15 min減少到10 min,分別標(biāo)記為:條件2(10 min)和條件2(15 min). 對比分析硒化時間對太陽能電池的影響.

3.2 CZTSSe太陽能電池的制備

1)CdS緩沖層的制備. 采用化學(xué)水浴沉積的方法制備緩沖層. 將0.12 g的CdSO4放入裝有300 mL超純水的燒杯中,攪拌至完全溶解;隨后加入18.75 mL的NH3·H2O,攪拌15 min;最后加入0.17 g硫脲,攪拌5 min以上,待完全溶解后得到沉積溶液. 將裝有樣品的支架放入裝有沉積溶液的燒杯中,整個燒杯放入提前升溫到60 ℃的水浴鍋中,沉積厚度約為50 nm的CdS.

2)i-ZnO/ITO窗口層的制備. 用射頻磁控濺射的方法制備i-ZnO層,Ar流量為0.04 L/min,濺射功率為68 W,濺射時間為3 min,得到的i-ZnO層厚度約為60 nm;用直流磁控濺射的方法在i-ZnO層表面制備ITO層,Ar流量為0.01 L/min,濺射功率為58 W,濺射時間為5 min,得到的ITO層厚度約為260 nm.

3)熱蒸發(fā)制備Al電極. 將沉積完i-ZnO/ITO窗口層的樣品放置于真空蒸鍍儀器中,抽真空,蒸鍍厚度約為200 nm的Al電極. 最終完成的電池有效面積為0.19 cm2.

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 分步硒化對CZTSSe吸收層和器件性能的影響

4.1.1 分步硒化制備的CZTSSe吸收層的物相和形貌分析

對一步硒化和兩步硒化的樣品進行XRD表征,如圖3所示. 對比CZTSSe的標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF#52-0868),找到2種硒化方式下CZTSSe的特征峰(110)(112)(103)(211)(204)(312)(400)(332);可以看出,2種硒化方式均顯示出了MoSe2的特征峰,且兩步硒化的MoSe2特征峰比一步硒化的特征峰強,根據(jù)MoSe2的形成方式[10],猜測兩步硒化比一步硒化更充分. 另外,在一步硒化得到的吸收層中檢測出了雜質(zhì)峰,經(jīng)對比這些峰屬于CuSe2和Sn(S,Se)2的特征峰,說明一步硒化的樣品吸收層中存在二次相.

圖3 一步硒化與兩步硒化制備CZTSSe吸收層的XRD圖譜

由于某些二次相(例如ZnSe,Cu2SnSe3等)的晶體結(jié)構(gòu)與CZTSSe同屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu),其特征峰與CZTSSe的特征峰重合,XRD不易檢測出,因此繼續(xù)采用488 nm波長拉曼檢測樣品. 如圖4所示,在173,197,236,242 cm-1處檢測到屬于CZTSSe的拉曼峰[11],在329 cm-1處檢測到CZTS的振動峰,其中對于一步硒化的樣品在251 cm-1處檢測到更強的ZnSe信號,這說明一步硒化的樣品表面存在更多的二次相. 結(jié)合圖3的XRD分析,可以證明兩步硒化更利于純相CZTSSe的生成.

圖4 一步硒化與兩步硒化制備CZTSSe吸收層的拉曼圖譜

為了更直觀地觀察吸收層的表面和截面形貌,對2組樣品進行了SEM測試,如圖5所示. 2組樣品的表面都較為稀疏,但是兩步硒化的樣品晶粒更大,說明結(jié)晶相對較好. 無論經(jīng)過一步還是兩步硒化,薄膜樣品的截面均呈現(xiàn)出雙層晶粒結(jié)構(gòu),但對于一步硒化樣品,CZTSSe晶粒與底層Mo基底之間暴露出了較大的孔洞,這可能是由于一步硒化情況下CZTSSe相分解反應(yīng)產(chǎn)生的SnSe2二次相的揮發(fā)溢出所致. 較大孔洞的存在,使得CZTSSe與Mo基底之間的接觸變差,并可造成后續(xù)電池器件界面的更多復(fù)合.

(a)一步硒化

4.1.2 分步硒化制備CZTSSe太陽能電池的性能分析

圖6所示為2種硒化方式得到的CZTSSe電池的伏安特性(J-V)曲線,同時對測試樣品進行多次制備統(tǒng)計分析,以給出更可靠的參考數(shù)據(jù).

圖6 一步硒化與兩步硒化制備CZTSSe太陽能電池的J-V曲線

表2列出了不同硒化方式下分別制備9塊電池的電學(xué)參量平均值,括號內(nèi)為單塊最高效率電池的電學(xué)參量. 結(jié)合表2給出的電池參量統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以看到兩步硒化的器件平均效率η=5.21%,而一步硒化的器件平均效率η=4.05%. 其中兩步硒化器件的短路電流Jsc、開路電壓Voc和填充因子FF較一步硒化均有小幅度提升,這主要是由于兩步硒化樣品比一步硒化樣品的結(jié)晶性和背界面接觸要好,使得兩步硒化樣品的吸收光子產(chǎn)生載流子能力以及載流子傳輸能力更好,同時背界面的復(fù)合減少,有利于器件性能的改善.

表2 一步硒化與兩步硒化制備CZTSSe電池的電學(xué)參量

為了測試CZTSSe薄膜太陽能電池在不同波長下的光響應(yīng)情況,對電池進行了外部量子效率測試(EQE),如圖7所示. 不同硒化方式下的電池對波長低于520 nm的太陽光的光響應(yīng)相似,證明2種器件的性能差別并非來源于窗口層和緩沖層,而是在可見光和近紅外波長范圍內(nèi),而該范圍內(nèi)的光吸收主要來源于吸收層及背接觸. 從EQE曲線可以明顯看出:兩步硒化的光響應(yīng)更明顯,證實了兩步硒化吸收層的質(zhì)量更好,同時兩步硒化的樣品在吸收層背面區(qū)域光生載流子收集能力要優(yōu)于一步硒化的樣品[12]. 根據(jù)EQE曲線得到器件的積分電流分別為31.14 mA/cm2和33.25 mA/cm2,在誤差范圍內(nèi)與J-V曲線所測結(jié)果相符,證明了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖7 一步硒化與兩步硒化制備CZTSSe太陽能電池的EQE曲線和積分電流曲線

通過這部分實驗,可以看出兩步硒化樣品較一步硒化樣品具有更優(yōu)異的光電性能,這主要取決于兩步硒化樣品的吸收層和背界面的質(zhì)量更優(yōu). 但是在SEM分析中,發(fā)現(xiàn)兩步硒化樣品仍然存在不足,例如吸收層表面晶粒不致密、MoSe2層厚度較厚,這可能是由于硒化溫度過高導(dǎo)致的硒化過度現(xiàn)象. 因此,下一步將通過降低硒化溫度的方式,使硒化程度在適當(dāng)范圍內(nèi)減弱,以制備更高質(zhì)量的吸收層.

4.2 硒化溫度對CZTSSe吸收層和器件性能的影響

4.2.1 不同硒化溫度制備CZTSSe吸收層的物相和形貌分析

對硒化溫度進行調(diào)節(jié),具體溫度調(diào)控條件詳見表1. 首先采用XRD對5種吸收層進行物相表征,結(jié)果如圖8所示. 從圖8可以看出:5種條件下硒化的薄膜,除了CZTSSe的特征峰之外,沒有其他的雜相,說明不同硒化溫度下制備的吸收層相純度均較高. 除此之外,可以看到條件3下的MoSe2峰最高,其他條件下的MoSe2峰相對較弱,證明了通過適當(dāng)減小硒化溫度可使MoSe2層變薄.

圖8 不同硒化溫度制備CZTSSe吸收層的XRD圖譜

為了更加直觀地觀察形貌,對樣品進行了SEM表征,如圖9所示. 從表面形貌來看,條件1和條件2的樣品均比條件3的樣品更加致密,條件1的樣品晶粒相對較小,同時截面形貌是3層結(jié)構(gòu),由上下2層大顆粒、中間夾著1層小粒子層組成,這可能是由于反應(yīng)溫度較低導(dǎo)致硒化不完全所致;而條件2的樣品則是常見的雙層大顆粒結(jié)構(gòu). 條件1和條件2的MoSe2厚度相當(dāng),均比條件3的薄,因此從條件1～3得出:條件2的樣品吸收層的致密性和截面結(jié)構(gòu)相對較好.

(a)條件1

圖9中的(d)～(e)分別為條件4和條件5下的樣品結(jié)果,從SEM的結(jié)果看:條件4樣品的吸收層形貌結(jié)構(gòu)與條件2樣品的結(jié)果非常相似,而條件5樣品的吸收層表面晶粒較小,截面的下層顆粒比上層顆粒大,且有較多孔洞,生長不均勻,說明對于條件5樣品,下層大顆粒生長更加充分,這可能是由于第一步硒化溫度高時有利于促進Se蒸汽進入,促進了下層大顆粒生長. 根據(jù)文獻[13]得到下層晶粒與上層晶粒彼此之間是競爭組分生長的關(guān)系,在硒化初期,上下2層開始形成大顆粒,然后隨著硒化的進行,彼此向中間生長,逐步消耗掉中間的組分,硒化進行到最后,2層大顆粒因為足夠穩(wěn)定,最后并不會相互融合,而是形成2層大顆粒結(jié)構(gòu). 因此,如果下層顆粒生長過大,反而會阻礙上層組分的結(jié)晶.

綜上,從SEM形貌能夠初步分析在條件2(350～540 ℃)下的吸收層質(zhì)量相對較好,第二步溫度過高或溫度過低會導(dǎo)致硒化過度或者硒化不充分. 硒化溫度過高會使MoSe2的厚度過厚,吸收層表面不致密;而硒化溫度過低時,吸收層的晶粒沒有足夠長大,截面小粒子層未被消耗掉,會導(dǎo)致截面界面層較多. 另外,第一步硒化溫度過高會使下層大顆粒生長過大,吸收組分過多,阻礙上層的結(jié)晶,從而造成不利影響.

4.2.2 不同硒化溫度制備CZTSSe太陽能電池的性能分析

圖10所示為不同硒化溫度下制備電池的J-V曲線,表3給出了9塊電池的電學(xué)參量統(tǒng)計數(shù)據(jù),可以看出:隨著硒化溫度的升高,開路電壓Voc下降.Voc的下降歸因于硒化溫度升高后,硒化程度變大,CZTSSe的帶隙減小. 在條件2下制備的電池,其短路電流Jsc和填充因子FF最高,主要是因為該條件下樣品吸收層表面比較致密,能夠有效地吸收光子產(chǎn)生載流子,因此在該條件下的平均效率達到5.72%. 條件4和條件5中,條件4樣品的吸收層表面形貌與條件2樣品較為類似平均效率為5.58%,其短路電流Jsc、開路電壓Voc和填充因子FF均略低于條件2. 條件5下的樣品性能較差,可能是由于吸收層截面結(jié)構(gòu)較差,富含孔洞所導(dǎo)致的復(fù)合較多.

表3 不同硒化溫度下制備CZTSSe電池的電學(xué)參量

圖10 不同硒化溫度下制備CZTSSe太陽能電池的J-V曲線

測試不同條件下CZTSSe薄膜太陽能電池的EQE,并通過相應(yīng)計算得到各電池的光學(xué)帶隙. 從圖11中可以看出:各條件下的電池在相應(yīng)波長下的響應(yīng)趨勢相似,而最優(yōu)性能(條件2)的樣品在各波長的光響應(yīng)最強. 圖12中顯示了各電池的光學(xué)帶隙,正如之前的猜測,隨著硒化更加充分,帶隙減小,從而導(dǎo)致開路電壓減小[14].

圖11 不同硒化溫度制備CZTSSe太陽能電池的EQE曲線

圖12 由不同硒化溫度CZTSSe太陽能電池的EQE曲線計算得到的Eg圖

另外,還發(fā)現(xiàn)對于條件1樣品,最終吸收層形成了3層結(jié)構(gòu),中間的小粒子層可能是由于硒化不夠充分導(dǎo)致,在文獻[15]中也能看到相似現(xiàn)象,該現(xiàn)象可通過后續(xù)增加硒化時間得到改進.

對于條件3和條件5的樣品,均存在硒化過度的問題,直接導(dǎo)致上層大顆粒或下層大顆粒生長不協(xié)調(diào),造成一系列的孔洞,增加了載流子的復(fù)合,因此導(dǎo)致最終性能較差.

綜上,較為優(yōu)異的硒化條件為:從室溫升溫至350 ℃硒化5 min后,再從350 ℃升溫至540 ℃硒化15 min,即條件2樣品性能最佳.

4.3 硒化時間對CZTSSe吸收層和器件性能的影響

4.3.1 不同硒化時間制備CZTSSe吸收層的物相和形貌分析

針對條件1下的樣品存在硒化不足的問題,將第一步硒化時間固定,延長第二步硒化時間,將原來的第二步硒化時間由15 min增加到20 min,所制備的樣品分別標(biāo)記為:條件1(15 min)和條件1(20min). 考慮到4.2節(jié)中性能最優(yōu)的條件2樣品的吸收層沒有達到非常致密,通過減少第二步的硒化時間(將15 min減為10 min),探究能否讓其吸收層表面更加致密,所制備的樣品分別標(biāo)記為:條件2(10 min)和條件2(15min).

對4種樣品進行XRD表征,并將CZTSSe的主峰(112)放大,如圖13所示. 從(112)特征峰放大圖譜來看,條件2(15 min)樣品的特征峰最高,結(jié)晶性最好;其次是條件2(10 min)的樣品,而對于條件1樣品,無論是硒化15 min還是20 min,結(jié)晶性都較差,這可能是由于硒化溫度過低所導(dǎo)致[15].

圖13 不同硒化時間制備CZTSSe吸收層的XRD(112)特征峰放大圖譜

圖14為不同條件和硒化時間下樣品吸收層的SEM圖,從圖14中可以看出:條件1樣品在增加硒化時間后可以促使中間的小粒子層消失,但是表面晶粒仍然較小,且由于硒化時間過長,表面不夠致密,說明延長硒化時間只能使硒化過程繼續(xù),不能促進表面晶粒長大. 對于不同硒化時間的條件2樣品,可以看出:硒化10 min的樣品,其表面的晶粒和致密性并沒有15 min的大和致密,這可能是由于當(dāng)達到2層大顆粒后,上層晶粒會吞噬下層顆粒,吸收下層大顆粒的組分,而硒化10 min的樣品并沒有到達這個階段,從而導(dǎo)致上層顆粒比下層顆粒小.

(a)條件1(15 min)

綜上,從XRD和SEM的表征結(jié)果來看,依舊是條件2(15 min)下的樣品在結(jié)晶形貌上表現(xiàn)最好.

4.3.2 不同硒化時間制備CZTSSe太陽能電池的性能分析

圖15所示為不同硒化時間制備電池的J-V曲線,表4給出了電池參量的統(tǒng)計數(shù)據(jù). 對于條件1樣品,硒化時間變長后,反而使電池性能變差,平均效率由原來的4.39%降低到2.76%,從電池參量來看,Voc,Jsc和FF均變差. 而對于條件2樣品,性能均優(yōu)于條件1樣品,即使樣品在條件2下的硒化時間降到10 min,其平均效率也能達到4.75%,優(yōu)于條件1樣品. 比較表4中不同條件下各電池的平均性能可知,條件2(15 min)樣品的光電轉(zhuǎn)換性能最好.

表4 不同硒化時間制備CZTSSe電池的電學(xué)參量

圖15 不同硒化時間制備CZTSSe太陽能電池的J-V曲線

5 結(jié)束語

針對DMSO溶液體系,成功制備了分步硒化、不同硒化溫度、不同硒化時間的CZTSSe吸收層,并通過XRD和SEM表征,分析了不同硒化工藝對吸收層結(jié)晶和形貌的影響,并在此基礎(chǔ)上制備了CZTSSe薄膜太陽能電池,通過J-V曲線測試確定了最優(yōu)的硒化方式為兩步硒化,且在350 ℃硒化5 min,再在540 ℃硒化15 min的條件下,取得了平均效率為5.72%的優(yōu)異性能. 本工作雖然從硒化的步驟、溫度和時間角度對硒化工藝進行了相對全面的討論,并取得成效,但仍有不足. 例如,在硒化過程中,快速退火爐的升溫速率、N2流量和爐內(nèi)氣壓等也對硒化薄膜的質(zhì)量具有重要影響,這也是今后硒化工藝探究中需要繼續(xù)探究的因素. 該研究作為實驗學(xué)科類學(xué)生的科研探索類課程,通過文獻調(diào)研、科學(xué)問題的提出、實驗方案的設(shè)計、測試分析方法的表征、數(shù)據(jù)分析與討論,讓學(xué)生經(jīng)歷完整的科研訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力,提高學(xué)生分析問題解決問題的能力,是培養(yǎng)新時期綜合型人才的有效途徑.