銅鋅錫硫薄膜太陽電池：電化學方法合成和表征

譯者序
作者導師序
原書致謝
縮略語
物理量
第1章緒論1
1.1薄膜光伏1
1.2 CZTS: 性質、歷史及器件效率2
1.3薄膜材料的制備過程3
1.4 CZTS前驅物的電沉積3
1.5 CZTS前驅物的硫化4
1.6 CZTS薄膜的光電性能測試4
1.7本研究的主要任務5
1.8本書的結構5
參考文獻6
第2章金屬前驅物的電極沉積8
2.1電化學沉積（電沉積）8
2.1.1電化學電池和沉積反應8
2.1.2三電極電池9
2.1.3電沉積的循環(huán)伏安法10
2.1.4析氫反應12
2.1.5恒電位電沉積14
2.2 Cu2ZnSnS4前驅物制備的實驗方法16
2.2.1共沉積與SEL法16
2.2.2電沉積的形貌控制18
2.2.3電沉積的質量傳輸控制18
2.3 Cu、Sn和Zn的電極沉積19
2.3.1 Cu的電極沉積19
2.3.2 Sn的電極沉積20
2.3.3 Zn的電極沉積20
2.4電沉積方法的描述21
2.4.1襯底21
2.4.2電解液21
2.4.3電化學裝置21
2.4.4循環(huán)伏安法22
2.4.5垂直工作電極的沉積過程22
2.4.6旋轉圓盤電極的沉積過程22
2.5電極沉積薄膜的表征23
2.6 Cu的電沉積24
2.6.1襯底的考慮24
2.6.2銅的堿性山梨醇電解液的循環(huán)伏安26
2.6.3電極沉積物的形貌27
2.7 Sn的電極沉積：甲烷磺酸電解液28
2.7.1襯底28
2.7.2循環(huán)伏安28
2.7.3電極沉積物的形貌29
2.8酸性氯化物電解液中Zn的電極沉積30
2.8.1襯底30
2.8.2 Zn的酸性氯化物電解液的循環(huán)伏安30
2.8.3 Zn電極沉積的形貌31
2.8.4 Cu和Sn襯底上沉積Zn的差異32
2.8.5添加第二個銅層使Zn沉積33
2.9實現(xiàn)前驅物的宏觀均勻性34
2.9.1在垂直工作電極上電沉積的問題34
2.10旋轉圓盤電極電化學沉積36
2.10.1加強對流對循環(huán)伏安法的影響36
2.10.2使用RDE沉積薄膜的均勻性36
2.11確定前驅物對疊層的沉積條件39
2.11.1電沉積步驟的效率40
2.11.2前驅物厚度與成分的設計42
2.11.3前驅物設計中式（2.32）的應用45
2.12 Cu｜Sn｜Cu｜Zn疊層的表征46
小結47
參考文獻48
第3章預制層轉換為復合物半導體50
3.1前驅物合金50
3.1.1 Cu-Zn 系統(tǒng)51
3.1.2 Cu和Sn的合金化51
3.1.3 Sn和Zn的合金化52
3.1.4 Cu-Sn-Zn三元體系53
3.2硫的結合：Cu-Zn-Sn-S 體系54
3.2.1樣品成分的表示54
3.2.2在Cu2S-ZnS-SnS2準三元體系中的相55
3.3 Cu-Zn-Sn-S體系中相的區(qū)分57
3.3.1 X射線衍射57
3.3.2拉曼光譜59
3.3.3區(qū)分物相的其他方法59
3.4Cu2ZnSnS4的晶體結構59
3.4.1鋅黃錫礦和黃錫礦59
3.5 Cu2ZnSnS4的形成反應61
3.6快速熱處理過程62
3.6.1 RTP系統(tǒng)的介紹62
3.6.2兩步過程中的硫源62
3.7前驅物的制備63
3.8退火/硫化過程64
3.9轉換材料的表征65
3.10刻蝕65
3.11金屬疊層在無硫氛圍中退火65
3.11.1 Cu-Zn雙層的退火65
3.11.2 Cu-Sn 雙層的退火67
3.11.3 Cu-Sn-Zn薄膜的退火69
3.11.4 Cu/Sn/Cu/Zn 前驅物的退火72
3.12在硫的氛圍中對前驅物疊層退火75
3.12.1前驅物中硫元素的結合75
3.12.2相形成與溫度的關系77
3.12.3在500℃時，相圖的演變與時間的函數(shù)83
3.12.4 Cu2S的表面偏析及空洞的形成85
3.12.5液相Sn的存在，SnxSy的缺失87
3.13在高的加熱速率下提出的CZTS形成模型90
3.13.1在500~550℃時的反應順序90
小結92
參考文獻93
第4章硫化條件及前驅物成分對CZTS相演變的影響97
4.1硫化條件對薄膜生長的影響97
4.1.1文獻中的硫化條件97
4.1.2硫化過程中Zn的損失98
4.1.3硫化過程中SnS的損失99
4.2前驅物的成分對于薄膜生長的影響99
4.2.1 Cu的含量對CuInSe2和CuInS2薄膜生長的影響99
4.2.2 Cu含量對于CZTS薄膜生長的影響100
4.3硫化氣壓的影響102
4.3.1 S元素在硫化過程中的行為102
4.3.2硫化氣壓對硫化速率的影響105
4.3.3硫化氣壓對晶粒尺寸的影響107
4.3.4硫化氣壓對晶粒取向的影響108
4.3.5硫化氣壓對成分的影響110
4.4硫化時間的影響112
4.4.1 S蒸氣的滯留時間112
4.4.2較長退火時間下的晶粒生長114
4.4.3硫化過程中的元素損失115
4.5改變Cu含量的影響116
4.5.1成分測試的實驗方法116
4.5.2前驅物組分中Cu含量的研究116
4.5.3硫化樣品的成分與相結構116
4.5.4 KCN刻蝕對于不同Cu含量樣品的影響119
4.5.5 Cu含量對晶粒尺寸的影響122
4.6 Zn/Sn比例的一些影響122
4.7偏離化學計量比時生長模型的修正124
4.8硫化過程中元素損失的分析125
4.8.1 Sn損失的初步觀測125
4.8.2元素損失對樣品成分分布的影響127
4.9晶粒尺寸變化趨勢的觀測130
小結132
參考文獻134
第5章Cu2ZnSnS4薄膜的光電特性：生長條件與前驅物成分的影響136
5.1文獻中CZTS材料的特性136
5.1.1 CZTS的帶隙136
5.1.2 CuInSe2和CZTS中的缺陷137
5.1.3二次相對光電特性的影響137
5.1.4 CZTS器件的成分139
5.2光電化學表征技術140
5.2.1半導體-電解液界面的結的形成140
5.2.2半導體中載流子的產生143
5.2.3載流子收集及外量子效應143
5.2.4非輻射復合144
5.2.5暗電流145
5.2.6 EQE光譜的測試145
5.2.7電化學電池的反射與吸收的修正146
5.2.8 EQE光譜及EQE偏置曲線的分析147
5.3光電化學測試150
5.3.1樣品的制備150
5.3.2光電化學電池150
5.3.3 LED光照下的光電流150
5.3.4光電流光譜（EQE的測試）150
5.3.5光電流的高頻測試151
5.3.6偏置電容的測試151
5.4光電化學測試條件的確定151
5.4.1光電流-電壓測試151
5.4.2 KCN刻蝕的影響153
5.5硫化時間的影響153
5.5.1光電流密度隨硫化時間的演化154
5.5.2帶隙隨硫化時間的演化156
5.5.3空間電荷區(qū)的寬度和受主密度的改變157
5.5.4關于短路電流隨硫化時間變化的解釋158
5.6硫化過程中背景氣壓的影響159
5.7硫化溫度的影響161
5.8 Cu含量的影響162
5.9 Cu2ZnSnS4薄膜帶隙的變化趨勢164
5.9.1假設A：鋅黃錫礦-黃錫礦固溶體165
5.9.2假設B：Cu2ZnSnS4-Cu2ZnSn3S8的相互作用168
小結169
參考文獻170
第6章進一步研究的結論與展望172
6.1硫化條件的作用173
6.2前驅物成分的作用174
6.3進一步研究的展望177
參考文獻178