銅鋅錫硫及其摻雜化合物半導(dǎo)體材料的制備與研究

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1、學校代碼10530學號201510141502分類號O69密級公開碩士學位論文銅鋅錫硫及其摻雜化合物半導(dǎo)體材料的制備與研究學位申請人陳昌貌指導(dǎo)教師易捷副教授楊穗副教授學院名稱化學學院學科專業(yè)化學工程研究方向應(yīng)用電化學二○一八年五月StudyonPreparationandPropertiesofCuZnSnSandItsDopedCompoundSemiconductorMaterialsCandidatechenchangmaoSupervisorA.P.JieYiA.P.yangsuiCollegeChemistry

2、ProgramChemicalEngineeringSpecializationAppliedelectrochemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay,2018摘要-4-1銅鋅錫硫(CZTS)作為極具前景的p型半導(dǎo)體材料，吸收系數(shù)高達10cm，而且原料儲量豐富，已逐步成為薄膜太陽能電池領(lǐng)域的主流材料。隨著研究的深入,CZTS薄膜制備工藝層出不窮。本論文采用了在離子液體中恒電勢電沉積法與脈沖電沉積法制備CZTS薄膜，以及深入探究了溶劑熱

3、法制備了Cr摻雜CZTS納米晶粉末。并利用掃描電鏡（SEM）表征薄膜與粉末樣品的表面形貌，X射線能譜儀（EDS）進行元素的定性與定量測試，X射線衍射儀（XRD）測試晶體結(jié)構(gòu)，拉曼光譜儀（Raman）與X射線光電子能譜(XPS)進行進一步的定性分析，紫外-可見-近紅外（UV-VIS-NIR）與莫特-肖特基曲線測試樣品的光電性能。擬通過新工藝制備出性能優(yōu)異的銅鋅錫硫(CZTS)太陽能電池吸收層材料。主要研究內(nèi)容與步驟如下：1）恒電勢分步電沉積CZTS薄膜材料：以無水氯化銅(CuCl2)、無水氯化亞錫(SnCl2)、無水氯化鋅

4、(ZnCl2)為原料，用氯化膽堿(C5H14ClNO)與乙二醇(C2H6O2)配制了只含有陰陽離子的離子液體作為溶劑，在不同沉積電壓下(-1.0V，-1.1V，-1.2V)先電沉積銅錫、然后在沉積電壓（-1.5V）下電沉積鋅，并在特定退火條件下（300℃時30min，500℃時30min）硫化。實驗中發(fā)現(xiàn)，離子液體的穩(wěn)定性為電沉積提供了一個較好的反應(yīng)環(huán)境，在300℃的預(yù)備退火步驟減少了錫的流失。研究結(jié)果表明，恒電勢分步電沉積在電壓為-1.2V下的樣品表面形貌最均勻致密，呈現(xiàn)單一相。CZTS薄膜材料禁帶寬度最接近太陽光譜，

5、載流子濃度也達到最高。顯然，在電沉積時沉積速率過快與沉積電勢過高容易產(chǎn)生濃差極化。因此，需要用脈沖分步電沉積工藝進行更深一步的性能探索。2）采用脈沖分步電沉積制備CZTS薄膜太陽能電池材料。脈沖分步電沉積屬于暫態(tài)測量技術(shù)的范疇，它提供了一段過渡時間，使半導(dǎo)體界面環(huán)境恢復(fù)到反應(yīng)前的平衡態(tài)，然后繼續(xù)以初始濃度進行還原沉積。研究結(jié)果表明，在-1.2V沉積電壓下制備的薄膜樣品的表面形貌、物相、光電性能比-1.0V，-1.1V下沉積的薄膜樣品要更好。而脈沖分步電沉積相較于恒電勢分步電沉積在電壓-1.2V下表面形貌明顯更飽滿，更具立

6、體感。在薄膜材料成分含量上，已制備的銅錫薄膜對鋅的沉積沒有出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。在光電性能上，銅鋅錫硫薄膜材料的禁帶寬度值幾乎接近太陽光吸收最佳禁帶寬度值Eg(1.5eV)。因此，通過采用脈沖分步電沉積，制得了性能更加優(yōu)異的CZTS薄膜太陽能電池材料。3）溶劑熱法制備鉻摻雜CZTS太陽能電池材料：以無水氯化銅(CuCl2)、無水氯化亞錫(SnCl2)、無水氯化鋅(ZnCl2)、無水氯化鉻(CrCl2)、硫脲(H2NCSNH2)I為原料，聚乙二醇-400(HO(CH2CH2O)H)與乙二醇(C2H6O2)為溶劑，在高壓反應(yīng)釜中于2

7、20℃下反應(yīng)24h，離心得到樣品粉末。經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)，在摻雜量為5mmol/L時，樣品表面為球狀，并有許多小球裹附，整體均勻分布，呈單一相，X射線衍射中，晶面衍射峰強度最大，晶型最好，而且已經(jīng)發(fā)生角度偏移，進一步在X射線光電子測試中，經(jīng)過分析鉻已成功摻雜到鋅的晶格中，并且這種鉻摻雜含量比其它樣品具有更優(yōu)異的光電性能。關(guān)鍵詞：銅鋅錫硫；離子液體；恒電勢電沉積；脈沖電沉積；鉻摻雜IIAbstractcopper-zinc-tin-sulfur(CZTS),Asapromisingp-typesemiconductormat

8、erial,-4-1hasanhighabsorptioncoefficiencyupto10cmandhasabundantrawmaterialreserves,Itgraduallybecomeamainstreammaterialinthefieldofthin-filmsolarcells.Withthed