脉冲激光沉积法制备阳离子掺杂的CZTS/Bi2S3异质结及其光电性能研究

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近年来,Cu2ZnSnS4(CZTS)凭借其优良的光电性能和低廉的制备成本受到科研工作者们广泛的关注和研究。本研究采用室温脉冲激光沉积技术(PLD)生长CZTS薄膜,通过阳离子掺杂改善CZTS中的反位缺陷;并与电子传输材料Bi2S3构成异质结,探究了其光电性能。具体工作如下:采用固相烧结法合成CZTS靶材,利用室温PLD技术制备了不同原位退火温度的CZTS薄膜,光学测试分析表明,原位退火为400℃的CZTS薄膜对可见光的吸收最强、禁带宽度最接近太阳光的最佳吸收带隙。同时原位退火技术还可以避免后硫化工艺,优化薄膜生长。进而,将电子传输层Bi2S3与CZTS相结合、构建CZTS/Bi2S3异质结构,以提升其光电性能。计时电流测量结果表明,与单层CZTS薄膜相比,双层异质结在可见光范围内的光电响应速度提升了一个数量级、上升和衰减响应时间常数分别达到0.34 s和0.21 s。为了抑制纯CZTS中广泛存在的Cu Zn和Zn Cu反位缺陷,首先采用磁性Fe取代Zn、利用室温PLD技术合成了Cu2(ZnxFe1-x)Sn S4(CZFTS,x=0~1)薄膜,并分析得到了Fe元素的最佳掺杂比例x=0.75。将Bi2S3与CZ0.75F0.25TS薄膜相耦合构成CZ0.75F0.25TS/Bi2S3异质结构;原位PLD沉积过程有效优化了CZ0.75F0.25TS-Bi2S3界面。异质结的光电响应速度比CZTS/Bi2S3结构有了进一步的提升,上升和衰减响应时间常数分别达到0.12 s和0.04 s。其次,采用Ag取代Cu、利用室温PLD技术合成了(Cu1-xAgx)2ZnSnS4(CAZTS,x=0.1)薄膜。在此基础上制备了CAZTS/Bi2S3异质结,通过计时电流测试表明该异质结的光电响应速度优于CZTS/Bi2S3结构,上升和衰减响应时间常数分别为0.03 s和0.02 s。
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