铜-锌-锡-硫带边缘电子结构的光谱研究和锡组成的优化

铜-锌-锡-硫带边缘电子结构的光谱研究和锡组成的优化

铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)因地球储量丰富、环保无毒、光吸收系数很高(>104cm-1)且带隙接近单节光伏电池的最优带隙,被认为是理想的光伏材料。本文基于傅里叶变换红外光谱仪,利用吸收光谱、反射光谱、光致发光光谱和光电流谱系统地研究了CZTS半导体的带边电子结构和本征缺陷能级,为制备更少缺陷的CZTS半导体提供理论指导。同时利用X射线衍射、光谱表征和J-V特性测试研究了锡组分的变化对铜锌锡硫薄膜结构、缺陷、能带带尾以及铜锌锡硫光伏电池输出特性的影响。得到如下结论:1)高浓度的电中性缺陷簇[2(59)+9)(59)]使得CZTS半导体的禁带宽度减小,吸收光谱和反射光谱显示CZTS半导体光学带隙约为1.33 eV。光致发光光谱显示CZTS半导体含有高浓度的带尾态,发光峰相对于光学带隙发生红移,同时在价带尾上方约80 meV处存在(59)受主缺陷带,并且确认禁带内存在深能级施主缺陷簇[(59)+9)(59)],位于价带尾上方约0.84 eV。2)X射线衍射、光谱表征显示贫铜富锌缺锡的样品薄膜质量更高,深能级施主缺陷簇[(59)+9)(59)]、带尾态浓度最小,且中性缺陷簇[2(59)+9)(59)]浓度也最小,迁移率隙更接近理论禁带宽度,所以在贫铜富锌的组分下,适当减小锡组分,能够有效抑制与9)(59)有关的缺陷簇,优化CZTS半导体带边电子结构。J-V测试也显示较小的锡组分,可以抑制与9)(59)有关的缺陷簇,从而提高开路电压和短路电流密度。同时在锡较多的样品中深能级缺陷簇浓度增大,导致载流子复合和热激发的几率增大,使得光伏电池二极管理想因子和反向饱和电流密度增大。

基本信息

题目铜锌锡硫带边电子结构及锡组分优化的光谱研究
文献类型硕士论文
作者马骕驭
作者单位华东师范大学
导师越方禹
文献来源华东师范大学
发表年份2020
学科分类基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑
专业分类物理学,化学,电力工业
分类号TM914.4;O657.3;O434.1
关键词铜锌锡硫光伏材料,半导体缺陷,能带结构,光谱表征
总页数:67
文件大小:3837K

论文目录

摘要
Abstract
第一章 绪论
  1.1 引言
  1.2 光伏电池的发展与工作原理
    1.2.1 光伏电池发展概括
    1.2.2 光伏电池工作原理及重要性能参数
  1.3 铜锌锡硫系光伏电池概述
    1.3.1 铜锌锡硫四元合金化合物的演化
    1.3.2 铜锌锡硫系光伏电池研究现状
  1.4 本论文的研究意义和主要研究内容
第二章 铜锌锡硫光伏电池制备及光谱表征方法
  2.1 CZTS光伏电池制备工艺流程
  2.2 光谱实验系统和光谱表征方法
    2.2.1 傅里叶变换红外光谱仪原理及相关实验仪器
    2.2.2 光谱表征方法
  2.3 非平衡载流子的复合
    2.3.1 辐射复合
    2.3.2 俄歇复合
    2.3.3 陷阱复合
  2.4 本章小结
第三章 铜锌锡硫带边电子结构的光谱表征及数据分析
  3.1 CZTS薄膜吸收和反射光谱分析
  3.2 CZTS薄膜光致发光光谱分析
    3.2.1 光致发光的激发功率特性
    3.2.2 光致发光的温度特性
  3.3 CZTS光伏器件光电流谱分析
  3.4 CZTS带边电子结构示意图
  3.5 本章小结
第四章 锡组分优化铜锌锡硫带边电子结构
  4.1 锡组分对CZTS的物性影响
    4.1.1 锡组分对CZTS薄膜结构的影响
    4.1.2 锡组分对CZTS缺陷态密度和迁移率隙的影响
  4.2 锡组分对CZTS光伏电池参数的影响
    4.2.1 锡组分对CZTS电流密度-电压特性的影响
    4.2.2 锡组分对光伏电池寄生电阻和二极管特性的影响
  4.3 本章小结
第五章 总结与展望
  5.1 总结
  5.2 展望
参考文献
硕士在读期间科研成果
致谢

参考文献

[1] 系统结构缺陷分层预测方法[J]. 吉林大学学报(信息科学版) 2015(03)
[2] 基于ACFM焊缝体积型和簇群型缺陷检测仿真分析[J]. 测试技术学报 2019(01)
[3] 铌酸锂晶体中本征缺陷的模拟计算[J]. 科技创新导报 2013(24)
[4] 强流脉冲电子束辐照诱发的AISI 304奥氏体不锈钢中的空位簇缺陷[J]. 核技术 2008(07)

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