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两步法制备太阳能电池吸收层SnS薄膜及其性能的研究

作　者: 黄赐昌
导　师: 程树英
学　校: 福州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 太阳能电池两步法 SnS薄膜光电性能
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

硫化亚锡(SnS)的禁带宽度Eg≈1.3eV,接近太阳能电池的最佳禁带宽度1.5eV,在理论上其能量转换效率达到25%;其吸收系数α﹥104cm-1,用作太阳能电池耗材少;其组成元素S和Sn在地球上储量丰富、廉价、无毒,有很好的环境兼容性。因此,它作为太阳能电池吸收层具有独特的优越性。本文采用两步法在不同硫化温度和硫化时间的条件下制备SnS薄膜,并通过测试分析了所制备的薄膜的物相结构、化学成分、表面形貌及光电性能等。研究了工艺参数对所制备的SnS薄膜的影响规律,初步探索出制备SnS薄膜的最佳工艺参数:硫化温度为200~220℃硫化时间为60~90分钟。在这种条件下所制备的SnS薄膜的附着力良好,表面致密,S/Sn≈1,直接能带间隙在1.45eV左右,对可见光的吸收系数α﹥6×104cm-1。在理论上,硫化温度为280℃~290℃硫化时间为20~40分钟时也能制备SnS薄膜。但是,由于硫过量,在这种条件下制备的SnS薄膜容易含有硫化锡(SnS2)、三硫化二锡(Sn2S3)等其它化合物。此外,提高硫化温度和延长硫化时间都将提高薄膜的附着力、结晶度和致密性。当硫化时间为30分钟硫化温度在180℃~240℃之间变化时,薄膜的S/Sn值随着硫化温度的升高从0.72上升到1.08,能带间隙从1.44eV上升到1.48eV。当硫化时间为30分钟硫化温度在240℃~310℃之间变化时,薄膜的S/Sn值随着硫化温度的升高从1.08上升到1.96,能带间隙随着硫化温度的升高从1.01eV上升到1.72eV。当硫化温度为220℃时,薄膜的S/Sn值随着硫化时间的延长从0.88上升到1.05,能带间隙随着硫化时间的延长从1.47eV下降到1.38eV。当硫化温度为290℃时,薄膜的S/Sn值随着硫化时间的延长从0.92上升到1.57,能带间隙随着硫化时间的延长从0.95eV上升到的1.21eV。本论文的研究将为制备SnS薄膜提供一种较好的方法,同时也为进一步研制新型SnS薄膜太阳能电池奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-8
第一章引言  8-13
  1.1 研究太阳能电池吸收层SnS 薄膜的意义  8-10
  1.2 SnS 的性质  10
  1.3 SnS 薄膜的国内外研究动态  10-12
  1.4 目前SnS 薄膜研究中存在的问题  12
  1.5 本文的主要工作  12-13
第二章薄膜材料的制备方法  13-25
  2.1 薄膜的物理气相沉积  13-19
    2.1.1 蒸发法  13-16
      2.1.1.1 元素的蒸发速率  14
      2.1.1.2 化合物与合金的蒸发  14-15
      2.1.1.3 薄膜沉积的厚度均匀性和纯度  15
      2.1.1.4 真空蒸发装置  15-16
    2.1.2 溅射法  16-19
      2.1.2.1 气体放电现象的描述  16-17
      2.1.2.2 溅射法的优点  17-18
      2.1.2.3 溅射法的分类  18-19
    2.1.3 其它物理气相沉积法  19
  2.2 薄膜的化学气相沉积  19-22
    2.2.1 化学气相反应的沉积类型  20-21
    2.2.2 化学气相沉积装置  21-22
  2.3 薄膜的生长过程  22-23
    2.3.1 新相的自发形核和非自发形核  22
    2.3.2 连续薄膜的形成  22-23
  2.4 薄膜中的应力和附着力  23-25
    2.4.1 热应力和生长应力  23
    2.4.2 薄膜界面附着力  23-25
第三章 SnS 薄膜的制备  25-30
  3.1 试验设备及原料  25
    3.1.1 试验设备  25
    3.1.2 实验原料  25
  3.2 SnS 薄膜的制备  25-30
    3.2.1 基片的清洗  25-26
      3.2.1.1 清洗方法的选择  25-26
      3.2.1.2 玻璃基片的清洗过程  26
    3.2.2 锡膜的制备  26-27
    3.2.3 锡膜的硫化处理  27-30
第四章 SnS 薄膜的结构和成分的研究  30-47
  4.1 薄膜材料的表征方法  30-32
    4.1.1 薄膜附着力的测量方法  30
    4.1.2 薄膜结构的表征方法  30-32
      4.1.2.1 扫描电子显微镜  31
      4.1.2.2 X 射线衍射方法  31-32
    4.1.3 薄膜成分的表征方法  32
  4.2 薄膜的附着力与衬底温度和硫化温度及时间的关系  32-33
  4.3 硫化温度和时间对薄膜物相结构的影响  33-41
    4.3.1 硫化温度对薄膜物相结构的影响  33-38
    4.3.2 硫化时间对薄膜物相结构的影响  38-41
  4.4 SnS 薄膜的晶格常数的计算  41-42
  4.5 硫化温度和时间对薄膜表面形貌的影响  42-44
    4.5.1 硫化温度对薄膜表面形貌的影响  42-43
    4.5.2 硫化时间对薄膜表面形貌的影响  43-44
  4.6 硫化温度和时间对薄膜成分的影响  44-46
    4.6.1 硫化温度对薄膜成分的影响  44-45
    4.6.2 硫化时间对薄膜成分的影响  45-46
  4.7 小结  46-47
第五章 SnS 薄膜光电性能的研究  47-59
  5.1 SnS 薄膜的光学性能  47-56
    5.1.1 基本理论  47-48
    5.1.2 硫化温度对薄膜光学性能的影响  48-53
    5.1.3 硫化时间对薄膜光学性能的影响  53-56
  5.2 SnS 薄膜的电学性能  56-58
    5.2.1 四探针法  56-58
    5.2.3 硫化温度和时间对薄膜电学性能的影响  58
  5.3 小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-63
致谢  63-64
个人简历  64

两步法制备太阳能电池吸收层SnS薄膜及其性能的研究

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