CZTS薄膜制备的研究进展研究报告!!Q:!ScienceandTechnologylnnovetionHeraldCZTS薄膜制备的研究进展文亚南萤燕王金生梁齐(合肥工业大学电了科学与应用物理学院安徽合肥230009)摘要:Cu:ZnSnS(czTs)具冇•〜i俨光谱非常匹配的禁帝宽度以及高的吸收系数，这使得czTs薄膜成为一种最具潜力的新型太阳能电池薄膜吸收层材料•因此研究和完善CZTS薄膜的制备技术并提高薄膜质量及性能成为重耍的研究课题.本文主耍介绍四种CZTS薄膜的制备方法:磁控溅射.共蒸发，混合溅射,电了束蒸发硫化法.关键词:CZTS薄膜A阳能电池中国分类号:TK51文献标识码:A文章编#:1674-098X(2011)09(b)-0001-021引言理想的太阳能电池吸收层材料应该具备能带结构为直接带隙且带隙为1.3〜1.5eV,來源丰富，价格便宜和无毒无害的特点.Cu,ZnSnS(CZTS)〜J禁带宽度为1.4〜1.5ev,而且其吸收系数大干10cm-.CZTS的优势在于它的价格比较低廉，几乎无毒,而冃其组成元素在地壳中的含量是比较丰富的1〜3,这意味着CZTS是一种极具商业价值的太阳能电池材料.而且，口前CZTS的制备研究已经受到很大关注,CZTS薄膜和相关太阳能电池原型器件的研究成果不断地出现.目前制备CZTS薄膜的实验方法主耍有磁控溅射，混合溅射，热蒸发,电沉积，脉冲激光沉积,电子朿蒸发硫化法等•以下简要阐述四种CZTS薄膜的制备方法及实验结果:磁控溅射，共蒸发，混合溅射，电子束蒸发硫化法.2CZTS薄膜制备方法2.1磁控溅射(magnetronsputtering)⑴反应磁控共溅射(reactivemagnetronco一sputtering)Liu等4采用Cu/Zn/Sn为金屈而躯体，在钠钙玻璃衬底匕生长CZTS薄膜.溅射过程屮通入纯度为98.0%的H,s气体,流量为40sccm,压强为1Pa,衬底温度为500°C,镀膜时间30min.通过EDS测试，原子百分比为：Cu24.69%,Znl3.16%,Snl2.09%,$50.05%.Raman和xRD分析表明，单相CZTS薄膜结晶良好H沿在(112)晶面有很强的择优取向•薄膜由较大的柱状晶粒构成，并具冇均匀，致密的表而形貌.光学带为1.52±0.01eV,载流了浓度为3.889XIOem〜，薄膜屯阻率为5.4Qcm,载流子迁移率为29.75cm/(Vs),导电类型为p型.(2)射频磁控溅射(RFmagnetronsputtering)Jae-SeungSeol等5采用在康宁7059玻璃衬底上生长CZTS,它的靶材原子比Cu2S:ZnS:SnS2=2:1.5:L研究在Ar+S2(g)环境下不同退火温度对薄膜性能的影响当溅射功率为75W时，退火后得到的Cu/(zn+Sn)的比例接近化学配比•且主要的衍射峰为(112),(200),(220),(312)均表明它是KS结构.在250〜400°C范围内，随着退火温度的升高,CZTS薄膜的结品度得到改善,方块电阻迅速降低.退火温度为400°C时，其方阻低干0.47ocm,光吸收系数大约为IX104cm〜，光学带隙为1.51eV.2.2混合溅射(hybridsputtering)利用系统经过溅射，蒸发和退火TooruTanaka等利用混合溅射系统经过溅射，蒸发和退火制备了CZTS薄膜[21•在40Pa的氟气条件下，通过65OV的直流溅射沉积Sn层80minl然后在300°C石英圮竭中蒸发Zn,沉积速率曲薄膜沉积速率监控器控制,在氮气压强为2Pa的条件下，通过1OOW的磁控溅射沉积Cu层220min,最后将Cu/Zn/Sn薄膜在S蒸汽中退火60rain,Tf英衬底温度为300〜500°C.衬底温度为400°C时，原子配比最理想,且其xRD结果表明薄膜为单相CZTS,此吋其光学带隙为l・5eV,电阻率为0.130cm,载流子浓度为8.0x10cm~，霍尔迁移率为6.0cm2Vs.2.3共蒸发(co—ev印oration)TooruTanaka等6将蒸发出的Cu,Zn,Sn和S蒸汽通过泻流室同时送到55O°C的钠钙玻璃衬底表面，镀膜时间120rain.在保持Zn/Sn的比率分别为1.1和0.95及S/金属的比率为0.93吋，通过改变Cu(Zn+Sn)的比率来研究其对薄膜性能的影响•由薄膜表而的SEM〜O试结杲表明，随着Cu(Zn+Sn)的比率增加，晶粒的尺寸增大,同时由薄膜的XRD测试结果可知,Cu(Zn+Sn)的比例越大,CZTS的⑴2)衍射峰的半高宽越窄,(112)衍射峰强度(1112)与薄膜厚度(d)的比值(I112/d)越大.当Zn/Sn=l.l时，随着Cu(Zn+Sn)的比率增加，薄膜屯阻率由0.25Qcm降为7xlOQcm,这说明CZTS薄膜屮Sn或Cu元素偏多吋，薄膜有较低的电阻率.2.4电子束蒸发硫化法(st;Ifurizationofelectronbeamevaporatedprecursors)HironoriKatagiri等8在衬底温度为150°C的钠钙玻璃衬底上生长CZTS薄膜，先沉积一层160nm的...