Sb2Se3薄膜及其太阳电池的两步法制备与性能研究
作者单位:南京航空航天大学
学位级别:硕士
导师姓名:沈鸿烈
授予年度:2020年
学科分类:07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)] 0702[理学-物理学]
主 题:Sb2Se3薄膜 太阳电池 电子束蒸发 预制层 硒化退火 掺杂
摘 要:近年来,薄膜太阳电池因其优异的光电性能、低廉的制备成本和适用于柔性衬底等优点而得到了快速发展。硒化锑(SbSe)具有原料成本低、物相简单稳定、禁带宽度合适、光吸收系数大、晶界本征良性等优点,使其在薄膜太阳电池方面有良好的应用前景。通常情况,SbSe薄膜采用真空一步法制备,但一步法容易产生硒空位(V)从而损害薄膜性能。因此,本文创新性地采用电子束沉积Sb金属预制层再硒化退火的两步法制备SbSe薄膜及其太阳电池,不仅有效降低了V浓度,同时也获得了性能良好的SbSe薄膜及其太阳电池。首先,系统地研究了预制层沉积温度和沉积厚度对SbSe薄膜及其太阳电池的影响。研究发现,Sb晶面取向对SbSe晶面取向有直接影响,当预制层沉积温度为150?C时,SbSe太阳电池的开路电压和短路电流最大,光电转换效率最大达到了0.49%,这是因为此沉积温度下的SbSe薄膜具有最佳的(hk1)晶面取向,同时薄膜晶粒尺寸最大,粗糙度最低。此外,不同沉积厚度的预制层的物相结构一致,但300 nm预制层制备的SbSe薄膜太阳电池电学性能较差;与之相比的是200 nm的太阳电池,因其具有良好的晶面取向、光学性能和表面形貌,光电转换效率达到了0.7%,较前者电池效率相对提升了27%。在此基础上,又系统地研究了硒化时间和硒化温度对于SbSe薄膜及其太阳电池的影响。研究发现,20 min的硒化时间制备的SbSe薄膜及其太阳能电池具有最佳综合性能,这得益于此时制备的SbSe薄膜的(hk1)晶面强度比例最大。随后发现,硒化温度对SbSe薄膜综合性能更加重要,能显著影响SbSe薄膜的结晶质量、晶面取向和表面形貌,最终当硒化温度为360?C时,SbSe薄膜的综合性能最佳,晶粒尺寸、薄膜粗糙度、禁带宽度和载流子浓度分别为450 nm、42 nm、1.24 e V和4.99×10 cm,相应的电池转换效率最高为1.15%。最后,在前两章最佳SbSe制备工艺基础上,研究了Cu与Ge掺杂对于SbSe薄膜及其太阳能电池的影响。研究发现,Cu掺杂几乎不影响SbSe薄膜光学性能,但会使薄膜表面粗糙度增大,而且Cu掺杂后会使SbSe难以充分硒化,薄膜表面呈疏水性,后续无法利用化学水浴法沉积Cd S缓冲层;而Ge掺入SbSe薄膜后,+2价的Ge会占据SbSe晶格中+3价的Sb位置,从而在禁带中形成了浅受主能级,使价带中的电子更容易发生跃迁,这种p型掺杂进一步提高了p型SbSe薄膜的载流子浓度,最终相应的太阳电池转换效率由1.15%提高到1.23%。