H2S氣氛下硫化溫度對Cu2ZnSnS4薄膜性能影響的研究
用磁控濺射法在玻璃襯底上沉積Zn/Sn /Cu 預置層，然后再在H2S 氣氛下將其硫化制成Cu2ZnSnS4(CZTS) 薄膜。研究了不同硫化溫度(460，500，540 和580℃) 對CZTS 薄膜性能的影響。采用X 射線衍射、Raman、掃描電鏡、能量色散譜和紫外-可見-近紅外分光光度計表征薄膜的物相、表面形貌和光學性能。結果表明，在不同硫化溫度下都成功制備了CZTS 薄膜。當硫化溫度為540℃時，制備的薄膜晶粒達到2 μm，結晶性最好，表面致密光滑，而且它的吸收系數大于7 × 104 cm-1 ，禁帶寬度為1.49 eV。硫化溫度較低(460℃) 時，含有Cu2 - xS 雜質相，表面存在孔洞。而硫化溫度較高(580℃) 時，晶界處會產生微裂紋。
銅鋅錫硫(CZTS) 為鋅黃錫礦結構的四元化合物，其禁帶寬度約為1.48 eV，與太陽能電池所要求的最佳禁帶寬度( 1.5 eV) 十分接近。CZTS 為直接帶隙的半導體材料，且具有較大的光吸收系數( 大于104cm-1 ) ，因此用作太陽電池吸收層時，所需的CZTS 薄膜厚度較小( 約2 μm) 。該材料中的各元素在地殼中含量豐富，成分無毒且環(huán)境友好。另外，CZTS 的理論極限轉化效率為32.2%。因此，CZTS 非常適合用于太陽能電池吸收層的材料。目前主要制備CZTS薄膜的方法有: 噴霧熱解法、兩步制備法、電沉積法、共蒸發(fā)法、溶膠凝膠法、磁控濺射法、反應共濺射法、墨水法、脈沖激光沉積法等。
日本NNCT 的學者Hironori Katagiri在1996年運用濺射的Cu /Sn /Zn 金屬多層膜后續(xù)硫化的方法制備了世界上第一個CZTS 薄膜太陽電池。他們制得的電池轉換效率僅有0.66%。2001 年，日本長岡技術大學的H. Katagiri 課題組用電子束蒸發(fā)Zn/Sn/Cu 金屬前置物加后續(xù)硫化方法成功制備了SLG/Mo /CZTS /CdS /AZO/Al 結構的太陽電池，轉換效率為2.62%。2007 年該課題組用射頻共濺射沉積Cu /SnS /ZnS 的金屬前軀體，再原位做后續(xù)硫化制備的CZTS 電池效率達到5.74%，硫化的氣體采用Ar + H2S。2010 年，美國IBM 公司的K. Wang等采用熱蒸發(fā)制備了SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/TCO/MgF2/Ni-Al 太陽電池，它的轉換效率也達到了6.8%。2011 年，美國IBM 公司的B Shin 等制備的CZTS 太陽電池轉換效率達到了8.4%。2012 年，美國IBM 公司的D. Aaron R. Barkhouse 等制備的CZTSSe 太陽電池轉換效率超過了10%。此外，日本的長岡技術大學的Kazuya Maeda 等還研究了不同H2S 濃度(3%，5 %，10%和20%) 對CZTS 的性能的影響，掃描電鏡(SEM) 結果表示表明H2S 濃度越低所制備得到的CZTS 顆粒越大。
本文采用兩步法制備CZTS 薄膜: 首先，用磁控濺射儀沉積Zn /Sn /Cu 金屬預置層; 其次，根據文獻的報導，較低濃度的硫化氫硫化所制備的CZTS晶粒較大，大晶粒可以減少晶界復合，提高薄膜的光電性能，故本工作采用濃度較低的硫化氫作為硫源，在石英管中進行硫化。通改變硫化溫度來探討不同溫度對CZTS 薄膜性能的影響。本研究結果表明：相同硫化溫度和硫化時間作用下，硫化氫作為硫源比硫粉作為硫源制備的CZTS 平均晶粒尺寸大6 倍以上，且薄膜表面更為光滑致密。
1、實驗
首先，利用MSIB-6000 型磁控濺射-離子束濺射一體機在玻璃襯底上沉積Zn /Sn /Cu 金屬預置層。生長前玻璃襯底用丙酮、酒精和去離子水依次超聲清洗5 min，然后用N2吹干。Zn、Sn 和Cu 靶( 純度都為99. 999%) 的濺射功率分別為20，30 和50 W。濺射過程中持續(xù)通入Ar 作為工作氣體，流量設定為20 mL /min( 標準狀態(tài)) ，襯底溫度為室溫。濺射的Zn、Sn 和Cu 三層金屬的厚度分別為120， 140 和107nm。然后，將沉積了金屬預置層的玻璃襯底放置在石英管中，以10℃ /min 的升溫速率加熱到預定的溫度( 460， 500，540，和580℃) ，保溫2 h 后隨爐冷卻。整個過程一直通入N2 + H2S( 5%) 氣體。不同的硫化溫度所制備的樣品對應的編號分別為H460，H500，H540 和H580。通過X 射線衍射( XRD) 儀和Raman 光譜儀對樣品的物相結構和結晶性能進行分析，采用SEM 觀察樣品的表面形貌，利用能譜( EDS) 儀測試薄膜的元素比例，最后用紫外-可見-近紅外分光光度計測試樣品的光學性能。
3、結論
(1) 在H2S 氣氛下，CZTS 薄膜的結晶性隨著硫化溫度的升高而增強，但溫度過高會導致其結晶性略有下降。當硫化溫度較低時，制備的樣品存在Cu2 - xS 雜質相。硫化溫度升高到500℃ 后，所制備的樣品中不存在其它雜質相。當硫化溫度為540℃時，制備的薄膜的結晶性最好。
(2) CZTS 薄膜的表面形貌隨著硫化溫度的升高變得平整致密，但溫度過高會導致其晶界出現微裂紋。當硫化溫度較低時，表面存在一些孔洞。硫化溫度達到500℃時，表面孔洞消失，但是晶粒表面呈波紋狀，且較為粗糙。隨硫化溫度升至540℃，晶粒達到最大，最大可達到2 μm 且表面平整。硫化溫度繼續(xù)升高至580℃時，晶界處出現微裂紋，表面也變得粗糙。
(3) 540℃制備的薄膜的光學性能表明，在可見光范圍內的反射低于20%，透射約為3%。通過計算得到可見光范圍內的吸收系數大于7 × 104 cm -1，禁帶寬度為1.49 eV，有望用作太陽能電池的吸收層。
