论文部分内容阅读
Cu2ZnSnS4(CZTS)具有与太阳辐射光谱相匹配的直接带隙结构(禁带宽度1.5eV)，可见光吸收系数大于104cm-1，且原材料价格低、储量大、无毒害，是一种极具潜力的薄膜太阳能电池材料。结合理论和实验研究CZTS薄膜的优化制备工艺，对提高CZTS转化效率、降低电池器件生产成本具有重要意义。 本论文根据能带结构经典理论计算了CZTS晶体的电子结构;利用线性回归数值分析方法对沉积温度与CZTS(112)面衍射峰强度的边界变化趋势进行了拟合，并结合晶体生长模型理论分析了工艺参数对CZTS晶体结构的影响。主要研究结果如下: (1)利用Material Studios软件的CASTEP计算模块，基于第一性原理计算了CZTS晶体的电子结构和禁带宽度。结果表明，CZTS的价带主要受Sn原子的5p轨道和Cu原子的3d轨道杂化影响，导带主要受Sn原子的5p轨道和S原子的3p轨道杂化影响，计算得到CZTS的禁带宽度为1.533eV，与实验值(1.521eV)符合得较好。 (2)基于课题组前期脉冲激光沉积CZTS薄膜的实验数据，建立了以CZTS(112)面的XRD衍射峰强度作为结晶质量衡量指标的数学分析模型，分析了衬底沉积温度、激光能量、激光频率对薄膜结晶质量的影响，并采用线性回归方式对温度-峰强边界进行了拟合，预测在激光能量为150mJ/p、频率为5Hz，保温时间为1h、沉积时间为1.5h、真空度为10-4-10-5Pa的条件下，薄膜沉积的最佳衬底温度是357℃。根据数学模型的分析，为进一步优化薄膜的生长工艺设计了补充性实验。 (3)对CZTS薄膜横截面的SEM观察表明，退火温度和真空度对薄膜的组织形态具有重要影响。要获得结晶质量良好、(112)面择优取向明显的薄膜，在薄膜生长过程中需要高的真空度和合适的退火温度。