不同预退火温度对制备Cu2SnS3薄膜材料的影响

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(云南师范大学太阳能研究所及教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南 昆明 650500)

1 前 言

Cu2ZnSnS4(CZTS)有着与CuInGaSe2(CIGS)相似的晶体结构[1]，其光吸收系数大，并且禁带宽度约为1.5eV，与太阳光谱形成较佳匹配[2]，被认为是一种最具发展潜能的新型薄膜太阳电池材料。在过去的几年间，CZTS薄膜太阳电池被广泛地研究且取得了较大的进展。于2014年，由IBM报道的CZTS最高转换效率已达到8.4%[3]。然而，作为四元化合物半导体，CZTS在制备过程中很容易产生二次相，如Cu2S、SnS2和Cu2SnS3等，对薄膜的光学、电学性能产生不利影响[4]。要获得纯相的锌黄锡矿(Kesterite structure)CZTS就必须精确控制各元素配比，增加了制备过程的难度并且工艺的可重复性降低。相比而言，三元铜锡硫(Cu2SnS3, CTS)化合物元素种类少，相平衡区域较宽，组分比例更容易控制，并且CTS也是带隙值约为1.0 eV的直接带隙半导体，其光吸收系数大(>104cm-1)，导电类型为P型，适宜用作薄膜太阳电池的吸收层材料[5]。据第一性原理计算，CTS薄膜太阳电池的理论转换效率约为30%[6]，目前纯相的CTS薄膜太阳电池最高效率为4.29%[7]。而Umehara研究小组通过在CTS薄膜中掺入Ge元素，提高了材料带隙，并且用其制备的Cu2Sn1-xGexS3薄膜太阳电池，其光电转换效率提高到了6.0%[8]。

制备CTS薄膜的方法很多，主要有热蒸发法[9-11]、溅射法[12-14]、电子束沉积法[15]、喷雾热解法[16-18]、电化学沉积法[19-21]和直接溶液旋涂法[22-24]等。目前尚未出现快速硫化法合成CTS的相关研究报道。本文采用射频磁控溅射金属单质靶得到预制层，在不同温度下对预制层进行低温退火，快速硫化得到了CTS薄膜。本……