大学生创新创业训练计划项目中期检查报告资助类别:□√国家级□校级项目名称:热蒸发法制备柔性铜锌锡硫薄膜太阳电池项目编号:201410060018负责人:冯少君电话:18322256885电子邮件:2276304619@qq.com负责人所在学院:电子信息工程学院指导教师:薛玉明电话:13821763225执行年限:2014年5月至2015年6月填表日期:2015年4月天津理工大学教务处制1填表说明一、表中各项内容填写要实事求是,表述要明确、严谨、言简意赅。二、格式要求:表格中的正文字体应为小四号宋体字,22磅行距;需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。三、A4纸双面打印,于左侧装订成册。四、表格不够,可以加附页。2一、项目摘要描述项目总体情况、研究技术路线、研究方法以及预期成果(不超过500字)项目总体情况:本项目拟采用热蒸发法在聚酰亚胺柔性衬底上制备结构为Al/n-ZnO/i-ZnO/CdS/CZTS/Mo/PI的CZTS薄膜太阳电池,其电池效率达到5%,居国内领先水平。研究技术路线:(1)背电极Mo薄膜的制备采用直流磁控溅射的方法在聚酰亚胺衬底上制备背电极Mo薄膜。(2)吸收层CZTS薄膜的制备采用热蒸发的方法制备CZTS薄膜,得到的薄膜为p型直接带隙半导体,锌黄锡矿结构。通过调整衬底、各蒸发源温度及蒸发时间,调节薄膜组分,制备出满足化学计量比、结晶质量好且适合器件应用的薄膜。(3)缓冲层CdS薄膜的制备缓冲层CdS薄膜采用化学水浴法(CBD)制备。(4)窗口层ZnO薄膜的制备i-ZnO薄膜采用射频磁控溅射制备,Al-ZnO薄膜采用直流磁控溅射制备。(5)顶电极Al的制备顶电极采用热蒸发法制备。研究方法:采用热蒸发法制备CZTS薄膜,但在较高的衬底温度下存在CZTS薄膜的分解和Sn元素的二次蒸发问题,因此先在较低衬底温度下制备薄膜,调节薄膜组分,确定各蒸发源的蒸发温度;接着在高温下制备薄膜,在制备出满足化学计量比薄膜的同时改善薄膜的结晶质量。预期成果:1.采用热蒸发法制备出结构为Al/n-ZnO/i-ZnO/CdS/CZTS/Mo/PI的柔性衬底CZTS薄膜太阳电池,其电池效率达到5%,居国内领先水平。2.提交结题报告。3.拟发表核心期刊论文1篇,申请1~2项发明专利。3二、研究工作进展和取得的成果详细说明工作的进展,步骤以及目前取得的成果。在聚酰亚胺衬底上,直流磁控溅射制备1μm的Mo层作为背电极。接着采用热蒸发法制备CZTSSe薄膜。蒸发设备选用DM-700型共蒸发设备,本底真空为1.0×10-4Pa,蒸发源分别选用Cu、ZnS、Sn和Se。通过对CZTS薄膜制备工艺的探索,分别采用低温一步法,两步沉积法和高温两步法沉积薄膜。低温一步法的具体做法是:在衬底温度300℃条件下一步蒸发Cu、ZnS、Sn、Se四种元素,制备CZTSSe薄膜;两步沉积法的具体做法是:首先在衬底温度300℃下一步蒸发Cu、ZnS、Sn、Se四种元素;接着升高衬底温度至480℃,只蒸发Sn和Se两种元素;高温两步法的具体做法是:首先一步蒸发Cu、ZnS、Sn、Se四种元素;接着保持衬底温度不变,只蒸发Sn和Se两种元素。制备工艺方法图如图1所示,其中T为45min,T’为30min。图1CZTSSe薄膜的制备工艺方法图通过对薄膜进行电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、扫描电子显微镜(SEM)4X射线衍射仪(XRD)和拉曼光谱仪(Raman)的测试分析。得到薄膜的组分和结构特性,如图2、图3和图4所示。图2不同衬底温度下生长CZTSSe样品表面和断面的SEM图:(a)(b)300℃60min;(c)(d)300℃45min,480℃15min;(e)(f)300℃30min,480℃30min;(g)(h)480℃60min(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)(g)(a)(h)(a)5图3不同衬底温度沉积的CZTSSe薄膜的XRD图:谱线S1为300℃60min;谱线S2为300℃45min,480℃15min;谱线S3为300℃30min,480℃30min;谱线S4为480℃60min图4不同衬底温度沉积的CZTSSe薄膜的拉曼光谱图:谱线S1为300℃60min;谱线S2为300℃45min,480℃15min;谱线S3为300℃30min,480℃30min;谱线S4为480℃60min通过测试分析发现采用高温两步法沉积的薄膜表面平整,晶粒大小均匀,晶粒呈柱状,贯穿整个薄膜,薄膜厚度约为1μm,结晶质量好,不含杂相。因此高温两步法为CZTS薄膜的最佳沉积工艺。结合电池其它层制备工艺,优化各工艺参数,初步在柔性衬底上制备出了结构为Al/Al-ZnO/i-ZnO/CdS/CZTS/Mo/的CZTS薄膜太阳电池,通过转换效率测试,其效率可以达到4.87%,接近项目研究预期。6三、经费使用情况详细说明经费的使用方向,使用内容,目前的使用额度,剩余额度材料费0.8万元:购买聚酰亚胺薄膜、硅片。四、前阶段收获体会和存在的问题前一阶段研究的心得体会,项目研究过程中遇到的问题,以及其他需要说明的情况铜锌锡硫薄膜材料不含稀有金属和有毒元素,以其良好的带隙和较高的吸收系数受到了人们的极大关注。而柔性衬底薄膜太阳电池具有较高的重量比功率,具有可折叠、不拍摔碰等优势,本项目在柔性衬底上制备铜锌锡硫薄膜太阳电池是充分考虑到其今后的柔性应用。采用热蒸发法制备CZTS薄膜太阳电池,但由于CZTS薄膜在高温下的分解和Sn元素的二次蒸发问题使蒸发法制备薄膜较困难,因此制备出满足化学计量比的薄膜就尤为重要。在实验步骤设计上,先采用较低衬底温度制备薄膜,共蒸发Cu、ZnS、Sn和S四种元素,调节薄膜的组分,确定薄膜各蒸发源的蒸发温度;接着提高衬底温度,在制备出满足化学计量比薄膜的同时,改善薄膜的结晶质量。依次对薄膜的组分、形貌和晶体结构进行测试,薄膜组分满足化学计量比,表面平整,晶粒大小均匀,呈柱状,贯穿整个薄膜,薄膜厚度约为1μm,结晶质量好,不含杂相,可以作为CZTS薄膜太阳电池的吸收层。7五、下一阶段的研究计划①对铜锌锡硫薄膜的制备工艺进行优化,制备出性能最佳的铜锌锡硫薄膜。②结合电池的其它层,制备出结构为Al/n-ZnO/i-ZnO/CdS/CZTS/Mo/PI的CZTS薄膜太阳电池,对CZTS薄膜太阳电池转换效率进行测试,研制出效率为5%的柔性CZTS薄膜太阳电池。六、项目研究成果目录(栏目不够可自行增加)序号成果类型成果或论文名称成果说明1发明专利一种铜锌锡硒太阳电池器件及其制备方法申请号:201510222225.62期刊论文热蒸发法沉积CZTSSe薄膜结构特性研究第一作者,已投稿《电源技术》注1、“成果类型”栏,分为“期刊论文/会议论文/专利/著作权/获奖/其他”六类,请按顺序编号填写;注2、“成果或论文名称”栏目填写论文题目、专利或著作权名称;注3、“成果说明”栏,按照参考文献的格式填写如刊物名、获奖类别、级别等必要的说明8七、审核意见导师审核意见签字:年月日学院评审委员会意见负责人(签章):年月日学校评审委员会意见签字:年月日注:评审意见可简略填写为:项目实施正常,继续实施;项目实施迟缓,予以警告;项目实施有严重问题,建议停止实施。