摘要
随着能源问题日益严重，新能源开发越来越受到重视。太阳能电池作为利用太阳能的一种方式被广泛研究。太阳能电池材料中，铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S,Se)4，CZTSSe）因为其安全环保、组成元素地球储量丰富等优点有望替代铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）成为薄膜太阳能电池的新型吸收层材料。铜锌锡硫硒可以通过真空法和溶液法制备，溶液法具有成本低和大面积制备的优势，可以进一步降低生产成本。本论文以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，简单金属盐和硫脲（Tu）为前驱体化合物制备分子前驱体溶液，系统研究了DMF溶液中的化学反应，由溶液到预制膜、再到CZTSSe吸收层膜的反应路径以及预制膜在硒化过程中晶粒生长过程，获得了效率达到11.5%的电池性能。具体研究内容如下： （1）DMF溶液中前驱体化合物的化学反应以及溶液到预制膜的反应路径。以DMF为溶剂，CuCl、Zn(OAc)2、SnCl4和Tu分别为铜、锌、锡和硫的前驱体化合物，研究了金属盐特别是SnCl4在DMF溶液中的化学反应。研究发现，与CuCl和Zn(OAc)2与Tu反应生成相应的配合物不同，SnCl4不与硫脲发生配位反应而是与溶剂DMF发生配位生成配合物Sn(DMF)2Cl4。研究结果表明该配合物在退火过程中易失配，从而使得由前驱体溶液旋涂制备的薄膜在加热退火过程中直接生成锌黄锡矿的Cu2ZnSnS4（CZTS）预制膜。 （2）由预制膜到CZTSSe吸收层膜的反应路径以及晶粒生长过程。通过X射线衍射、拉曼光谱和扫描电子显微镜等测试手段监测预制膜的硒化进程，发现预制膜通过直接的取代反应并经自上而下和自下而上的晶粒生长生成CZTSSe，获得表面均匀、晶粒尺寸大、缺陷少的薄膜。研究结果表明，由前驱体溶液旋涂制备的薄膜在退火过程中直接生成锌黄锡矿的CZTS预制膜是其在硒化过程中发生直接取代反应生成CZTSSe吸收层膜的关键。 （3）DMF溶液法制备CZTSSe薄膜太阳能电池。探索了硒化时间、硒化温度、吸收层厚度和异质结退火温度对电池性能的影响，研究了电池器件的稳定性，获得了光电转换效率达到11.5%的薄膜太阳能电池，该器件是DMF分子溶液制备的效率最高的CZTSSe薄膜太阳能电池。 本论文研究了由DMF溶液法制备CZTSSe薄膜太阳能电池吸收层材料过程中的几个关键问题，发现SnCl4与DMF反应生成容易分解失掉DMF配体的Sn(DMF)2Cl4是生成锌黄锡矿结构的预制膜，并在后续硒化过程中发生直接取代反应获得缺陷少、组成均匀的CZTSSe吸收层薄膜的关键。本论文获得的高效电池表明由DMF溶液法制备CZTSSe电池具有很高的商业化应用潜力。
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