铜锌锡硫薄膜太阳电池：电化学方法合成和表征.pdf

书书书国际电气工程先进技术译丛铜锌锡硫薄膜太阳电池：电化学方法合成和表征 英乔纳森 J.斯克拉格（J o n a t h a nJ.S c r a g g）著严辉张林睿汪浩等译机 械 工 业 出 版 社锌黄锡矿结构的铜锌锡硫（C u2Z n S n S4，C Z T S）材料与目前在薄膜太阳电池领域表现出色的黄铜矿结构的铜铟镓硒 C u（I n，G a）S e，C I G S 材料具有相似的晶体结构，且 C Z T S的组成元素在地球上含量丰富，安全无毒，非常适合用来发展高效、廉价的太阳电池，近期 C Z T S基太阳电池的最高效率已达到 1 2.6%，在科研和产业领域引起了广泛的关注。本书回顾了 C Z T S 的发展历史，对 C Z T S薄膜的制备方法、前驱物的电沉积技术、前驱物的硫化工艺，以及 C Z T S 薄膜光电性能的表征技术进行了综述。在此基础上，作者研究电沉积技术制备 C u-Z n-S n金属前驱物，在硫气氛中采用快速退火技术制备 C Z T S 薄膜，并对薄膜的光电性能进行了表征。本书是在 C Z T S 领域中较早的一部专著，可供高等学校的研究生，以及从事太阳电池、电化学研究、生产和应用的科研技术人员参考。译者序研究和开发太阳能是我国乃至全世界长期科学发展规划的优选主题。目前产业化占主导地位的是单晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池和铜铟镓硒 C u（I n，G a）S e，C I G S 薄膜太阳电池。但是晶体硅太阳电池成本高，非晶硅薄膜电池有严重的光致效率衰退效应且大面积光电转换效率难以提高，C I G S则需要大量使用低丰度的稀有金属 I n。近年来，新的铜硫系材料 C u2Z n S n S4（C Z T S）引人注目，C Z T S 与 C I G S 晶体结构相似，具有较高的光吸收系数（1 04c m-1），禁带宽度约为 1.5 0 e V，与太阳电池所需要的最佳禁带宽度相匹配。且 C Z T S 电池采用的均为丰度较高且绿色环保的元素，可大大降低生产成本，是一种绿色、廉价、安全、适合大规模生产的薄膜太阳电池材料。因此，C Z T S电池很有希望成为未来太阳电池的主流。本书回顾了 C Z T S 的发展历史，对 C Z T S薄膜的制备方法、前驱物的电沉积技术、前驱物的硫化工艺以及 C Z T S 薄膜光电性能的表征技术进行了综述。在此基础上，作者研究电沉积技术制备 C u-Z n-S n金属前驱物，对电化学沉积系统及沉积工艺进行了优化；在硫气氛中采用快速退火技术制备 C Z T S薄膜，探究了C u-Z n-S n-S 体系的相图；通过建立光电化学测试系统，对 C Z T S薄膜的光电性能进行了表征。本书是在 C Z T S 领域中较早的一部专著，可供高等学校的研究生，以及从事太阳电池、电化学研究、生产和应用的科研技术人员参考。我们期望本书的出版对国内太阳电池及相关领域的发展有所帮助。如果能做到这一点，我们将非常欣慰和鼓舞。本书主要由北京工业大学的严辉教授、张林睿博士和汪浩教授翻译，张永哲、刘晶冰也参与了部分内容的翻译。全书由严辉统稿。机械工业出版社顾谦老师为本书的翻译、编辑、加工、出版付出了辛勤的劳动，在此深表谢意。由于时间仓促以及我们的知识面有限，译文中肯定有疏漏或欠妥之处，诚冀读者批评指正。译者作者导师序能源是 2 1世纪世界面临的最重要的技术问题之一。当今世界的功耗约为1 3 T W，超过 8 0%以上来自石油、天然气和煤炭。人们正在寻求可持续发展的替代品，因为人们已经意识到人类对能源的需求已经导致了气候的变化，而这将对地球造成长期严重的后果。这个问题的解决方案一部分必须来自增加太阳能的利用。太阳能资源是巨大的：地球上的太阳能功率为 1 2 0 0 0 0 T W；换一种方式说，从太阳到达地球 1 h 的能量比地球消耗一整年的能量还多。然而，太阳电池的广泛部署还需要考虑资源和可持续性问题。目前有 3种主要的商业化光伏技术：硅、碲化镉（C d T e）和铜铟（镓）硒（C I G S）。C d T e 和 C I G S 采用薄膜技术，有可能比硅更便宜，并且只需更少的能耗用于制造。现在已经开始大规模部署C d T e 和 C I G S 电池了，但是这两者都可能遇到可持续性的问题。碲和铟都是相对稀有的元素，并且镉还是有毒的，正因如此人们需要寻找资源丰富和无毒的替代材料。J o n a t h a nJ.S c r a g g 的这本书讨论了一种非常有前景且满足这些要求的材料：铜锌锡硫（C Z T S）化合物。这个半导体是 C I G S的潜在替代品，但是当 J o n a t h a n开始他的博士学位工作时，还只有很少的文献涉及它的制备和表征。这本书通过电沉积金属元素，然后在硫中退火制备 C Z T S。J o n a t h a n在解析金属前驱物快速热处理过程中发生的反应方面做了大量的工作，他对电沉积退火方法制备的C Z T S 薄膜光电性能的表征，为这种新兴的可持续薄膜材料的进一步发展铺平了道路。这本书在 C Z T S 的发展中将留下一个重要的章节。L a u r e n c eP e t e r英国，巴斯原 书 致 谢首先，我要感谢我的导师，L a u r e n c eP e t e r 先生，他的广泛的兴趣使我能够自由地追寻到一个当初非常冷门的项目。他似乎一点也不知道，他一直是想法与灵感的宝贵的来源。首先，我感谢他给予我坚定不移的信心，使我知道我能够在这个项目中的每一个阶段做什么。我还要感谢 P e t e r 小组的每一个成员，过去的和现在的，在我整个博士学位过程的磨练与艰难中成为最好的伙伴。这个项目的启动绝不能没有 P h i l l i pD a l e，他让我进入到了 C Z T S这个领域，并且耐心地帮我设计我的博士论文研究。他的热情和奉献激励人心。同时也要感谢在卢森堡大学 P h i l 小组的 D o m i n i kB e r g，与他进行了许多有趣的讨论。诺森比亚大学的 G u i l l a u m eZ o p p i 提供了一些帮助、建议以及在很多时候的免费住宿，我非常感谢他的努力工作。许多人对于 X R D测试上的帮助是非常有价值的，包括巴斯的 G a b r i e l eK o c i o k-K o h n，克兰菲尔德的 O m e e dK a r i m i 和 S o p h i eB e c k e t t。我还要感谢 D a n i e l Wo l v e r-s o n 提供的拉曼光谱的测试。非常感谢 P a u l F r i t h 制作的 R D E装置，以及本项目中用到的其他各类设备。最后，非常感谢我的父母以及姐姐，J i l l、R a y 和 R e b e c c a，过去的数月中，在一些其他的事情上的帮助比如晚餐、校对以及提供给我“办公室”，他们的客厅。在著作中所有的工作是作者本人完成的，除了以下例外：1）第 3章和第 4章中的拉曼光谱是由巴斯大学物理学院的 D a n i e l Wo l v e r s o n博士测试的。2）二次离子质谱是由诺森比亚大学光伏应用中心的 G u i l l a u m eZ o p p i 博士测试的。缩略语A A SA t o m i cA b s o r p t i o nS p e c t r o s c o p y 原子吸收光谱A F MA t o m i cF o r c eM i c r o s c o p y原子力显微镜C EC o u n t e r E l e c t r o d e对电极C I G S C u（I n，G a）（S，S e）2C I SC u I n S2C T S C u2S n S3C Z T S C u2Z n S n S4E D SE n e r g yD i s p e r s i v eX-r a yS p e c t r o s c o p y X射线能量分散谱E Q EE x t e r n a l Q u a n t u mE f f i c i e n c y外量子效率H E RH y d r o g e nE v o l u t i o nR e a c t i o n析氢反应K C NP o t a s s i u mc y a n i d e氰化钾N H EN o r m a l H y d r o g e nE l e c t r o d e标氢电极O V CO r d e r e dV a c a n c yC o m p o u n d有序空位化合物R B SR u t h e r f o r dB a c k s c a t t e r i n gS p e c t r o m e t r y卢瑟福背散射谱R ER e f e r e n c eE l e c t r o d e参比电极R T PR a p i dT h e r m a l P r o c e s s o r/P r o c e s s i n g快速热处理S E LS t a c k e dE l e m e n t a l L a y e r（s）堆叠金属层S E MS c a n n i n gE l e c t r o nM i c r o s c o p y扫描电子显微镜S I M SS e c o n d a r yI o nM a s s S p e c t r o m e t r y二次离子质谱S L GS o d a-L i m eG l a s s钠钙玻璃T P DT e r n a r yP h a s eD i a g r a m二元相图U P DU n d e r P o t e n t i a l D e p o s i t i o n欠电位沉积WEWo r k i n gE l e c t r o d e工作电极X R DX-R a yD i f f r a c t i o n X射线衍射物理量A 面积（c m2）吸收系数/转移系数/C u/（Z n+S n）成分比例（c m-1/-/-）b光谱通量密度（J s-1c m-2e V-1）Z n/S n成分比例（F）（-）Ch k l织构系数（-）C电容（F）D扩散系数（c m2s-1）dh k lh k l 平面（）的晶格间距E电极电位/光子能量（V/e V）Ef b平带电位（V）Eg带隙（e V）Ei，E0i物质 i 的还原势，物质 i（V）的标准还原势0真空介电常数（Fm-1）r相对介电常数（-）过电位（V）F法拉第常数（Cm o l-1）fG 形成自由能（k J m o l-1）h，k，l 米勒指数（-）h v光子能量（e V）I 光强（J s-1c m-2e V-1）Ih k l X R D中 h k l 峰的强度（-）J电流密度（m Ac m-2）Js c 短路电流密度（m Ac m-2）k波尔兹曼常数（J K-1）Ln 扩散长度（m）波长（n m）m质量（k g）1=0.1 n m=1 0-1 0m。译者注 M浓度（m o l c m-3）MR 相对原子质量（gm o l-1）Na 受主浓度（c m-3）n摩尔量/X R D中峰数（m o l）动黏度（c m2s-1）P压强（m b a r）能带弯曲度（V）外量子效率（-）电沉积效率（-）Q 电荷（C）q 电子电荷/电荷密度（C/Cc m-2）R 气体常数/反射系数（J m o l K-1/-）r 原子比例（-）密度（gc m-3）择优取向度/膨胀系数（-/-）C Z T S、C T S 或者 Z n SX R D峰（-）T温度/投射系数（/-）t时间/厚度（s/m）衍射角（）VC uC u 空位（-）V体积（c m3）W空间电荷区宽度（m）旋转速率（r a ds-1）x间距（m）z金属离子上的电荷系数（-）1b a r=1 05P a，1 mb a r=1 0 0 P a。译者注铜