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CZTSSe光电器件性能和机理研究

CZTSSe光电器件性能和机理研究

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作者：陈佳奇华东师范大学

学位级别：硕士

铜锌锡硫硒(CuZn Sn（S,Se）,CZTSSe)作为具有优异光电性能的p型半导体材料,其组成元素无毒且含量丰富,光吸收系数较高(10～4 cm),光学带隙连续可调（1.0 e V–1.5 e V）,因此被广泛应用于太阳能电池和光电探测器领域。本文致力于制备CZ... 详细信息

铜锌锡硫硒(CuZn Sn（S,Se）,CZTSSe)作为具有优异光电性能的p型半导体材料,其组成元素无毒且含量丰富,光吸收系数较高(10～4 cm),光学带隙连续可调（1.0 e V–1.5 e V）,因此被广泛应用于太阳能电池和光电探测器领域。本文致力于制备CZTSSe异质结光电器件,开展了光伏和光电探测性能研究。研究了i-Zn O窗口层对于CZTSSe器件光伏性能的影响,确定了i-Zn O层的最优厚度,并得到了10.74%的转换效率。制备了具有优良光响应特性的CZTSSe自供电光电探测器,并对其物理机制进行了深入探索。研究成果如下:1、系统研究了i-Zn O窗口层厚度对CZTSSe光伏电池性能的影响,确定了i-Zn O窗口层的最优厚度（26 nm）,成功制备了光电转换效率达10.74%的CZTSSe太阳能电池。通过调控溅射时间在钠钙玻璃上制备了不同厚度的i-Zn O薄膜,利用XRR确定了其准确厚度,并对i-Zn O进行形貌和光学测试。发现随着溅射时间延长,i-Zn O的结晶质量提高,表面平整致密,光学带隙也逐渐增大;但透光率逐渐降低。在此基础上,制备了具有不同厚度i-Zn O窗口层的CZTSSe光伏电池,发现开路电压和填充因子受i-Zn O厚度的影响明显,i-Zn O窗口层在减少漏电通道中发挥了重要作用,同时需要平衡串联电阻和透光率的影响。经优化工艺获得了i-Zn O窗口层最优厚度（26 nm）,将电池效率提高到10.74%。2、成功制备了光伏型CZTSSe自供电光电探测器,综合性能优异,具有很高的响应度和探测率,超高的开关比,并具有超快的响应速度。制备了垂直结构的自供电CZTSSe异质结光电探测器,综合性能表征表明,该探测器具有较宽的波段响应范围（300 nm～1400 nm）,在660 nm处的响应度和探测率达到了0.77 A/W和8.78×10 Jones,具有超高的开关比(3.54×10),103 d B的线性动态范围;同时CZTSSe光电探测器具有超快的响应速度,上升和下降时间分别为0.576/1.792μs,显示了优良的光响应性能。3、对CZTSSe光电探测器的性能进行了深入的机理研究,揭示了元素扩散对提高界面生长质量,减少缺陷密度和抑制载流子非辐射复合的重要影响。利用电学和微结构分析对CZTSSe探测器进行了系统表征,发现CZTSSe吸收层,Cd S缓冲层和ITO窗口层之间发生了元素迁移和扩散。ITO中的In扩散到Cd S和CZTSSe表面,Sn扩散到Cd S和CZTSSe表面,Cd S中的Cd扩散到CZTSSe表面。这一过程促进了Cd S的外延生长,不仅优化了尖峰型能带排列,而且抑制了界面缺陷的形成,减小了载流子非辐射复合,从而提高了载流子传输能力。探测器的超快响应速度主要是由于CZTSSe吸收层的陷阱浓度较低,减少了陷阱对载流子传输的延缓效应,以及CZTSSe/Mo背接触界面较低的接触势垒。

关键词： Cu2ZnSn(S,Se)4 太阳能电池光电探测器异质结界面复合载流子输运

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