摘要
锌黄锡矿结构的铜锌锡硫硒（Cu2ZnSn(S,Se)4,CZTSSe）作为一种理想的光电材料，因其具有环境友好、组成元素地壳储量丰富、光吸收系数高等特点而受到广泛关注，在光电器件领域得到广泛应用。目前，CZTSSe薄膜太阳电池的最高效率为13%，与铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2,CIGS）、碲化镉（CdTe）等薄膜太阳电池仍存在很大差距。限制CZTSSe薄膜太阳电池光电转换效率的主要因素有：吸收层与异质结处严重的阳离子替位缺陷及二次相导致的非辐射复合与传输损失，将太阳电池的开路电压（VOC）与填充因子（FF）限制在较低水平。因此，本论文通过前驱体薄膜的颜色性质指导薄膜的制备，结合原子层沉积的氧化铝薄膜与硫化铵（(NH4)2S）的协同作用有效抑制了吸收层二次相的生成，提高了器件异质结的质量，从而提升了器件的VOC和FF，具体研究内容如下： 首先，研究了铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4,CZTS）前驱膜制备过程中首层前驱膜的光反射颜色与其厚度的关系，为前驱膜厚度的稳定获得提供了有力的保障。通过测量CZTS前驱膜的光学参数，利用薄膜干涉理论证实了其反光颜色随厚度的变化规律。通过前驱膜反光颜色指导前驱膜的制备，在后续硒化过程中吸收层中Sn的损失得到了有效改善，实现了晶粒尺寸的增大和器件背接触的改善。在该方法的指导下，CZTSSe薄膜太阳电池的光电转换效率从7.05%提升至了10.76%。 其次，基于上述工艺，本文探究了原子层沉积氧化铝和(NH4)2S钝化对CZTSSe器件性能的协同提升作用。该处理抑制了吸收层表面的Zn、Sn相关缺陷，同时引入微量的S进一步优化界面特性，将太阳电池中深能级的CuZn缺陷转化为较浅能级的VCu缺陷。同时提高了吸收层的结晶性，有效抑制了异质结处的导带失配，提高了CZTSSe太阳电池中光生载流子的输运和抽取效率。吸收层及异质结界面处的载流子非辐射复合损失明显降低，器件的少数载流子寿命和耗尽区宽度增加，极大地改善了器件对光生载流子的收集能力，减少了电荷损失。最终，得益于Al2O3和(NH4)2S的协同作用，CZTSSe太阳电池的VOC和FF得到显著提升，器件的光电转换效率从10.4%提升至13.0%。
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