微波法制备铜锌锡硫的研究进展

来源期刊：材料导报2019年第13期

论文作者：沈韬 柴鲜花 孙淑红 朱艳

文章页码：2159 - 2166

关键词：微波;Cu₂ZnSnS₄;粉体;薄膜;

摘    要：尽管以铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)为代表的第二代薄膜太阳能电池已成功实现商业化,截至目前,以CIGS为吸收层的电池的效率已经突破23%,但由于In元素稀缺,Cd元素有剧毒,限制了该电池的大规模生产。铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)是一种直接带隙半导体,因具有禁带宽度合适、光吸收系数高、组分无毒和储量丰富等优点,而成为目前太阳能电池中最具有潜力的吸收层材料之一。目前以CZTS为吸收层的太阳能电池的效率已突破12%,已接近于商业化的多晶硅太阳能电池的效率。目前,CZTS粉体的制备方法主要为以溶剂热法、一锅法和热注入法为代表的溶液法。由于这些方法需要昂贵的仪器设备、复杂的操作顺序、较长的反应时间,且易产生杂相,严重制约着生产效率的提高。微波法也是一种溶液化学反应法,由于具有反应速度快、操作简单、效率高、加热均匀、能够减小热梯度等优势,近年在太阳能电池材料制备领域引起了广泛关注。微波法制备CZTS薄膜通常有一步成膜和两步成膜两种途径。两步成膜法先通过微波合成CTZS的粉体,再将粉体分散之后通过旋涂等方法获得CZTS的薄膜。采用这种方法得到的薄膜更加均匀、致密、稳定。然而,CZTS属于四元化合物,化学计量比的少量偏离就很容易产生其他杂相,因此如何减少和控制杂相的生成,制备纯相、形貌可控的CZTS纳米晶体并将其应用于薄膜太阳能电池显得至关重要。最近几年,除了研究CZTS对器件性能的影响外,研究者们主要从选择合适的有机溶剂、原料配比、反应时间、反应温度及表面活性剂等制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果,在充分发挥微波法反应速度快、操作简单、效率高、加热均匀优势的同时大幅提升了器件效率。目前,以微波法合成的CZTS为吸收层材料制备的太阳能电池的转换效率已从最初的0.25%快速提高到4.92%。本文综述了近年来微波法制备CZTS粉末和CZTS薄膜的主要方法,总结了原料配比、溶剂、反应温度、反应时间和表面活性剂等对产物形貌、结构、光学性能等的影响,并对微波法制备CZTS的发展前景进行了展望,以期为制备更高转换效率的CZTS基太阳能电池提供参考。