研究目的
研究和比较AZTSe薄膜与CZTSe薄膜在太阳能转换中的光电转换性能。
研究成果
本工作采用热蒸发法在FTO基底上沉积了Cu2ZnSnSe4和Ag2ZnSnSe4薄膜。沉积态薄膜在空气氛围中300°C退火后,研究了其光学-结构及电学性能。XRD与拉曼分析均证实CZTSe和AZTSe薄膜具有四方相结构,且用Ag取代Cu时未发生相变。XRD分析显示AZTSe的(112)晶面峰较CZTSe向低角度偏移,证实Ag原子已替代CZTSe结构中的Cu原子。拉曼分析中FTO/AZTSe薄膜出现AgSe和Ag2Se特征峰,且该技术单独检测到两种薄膜均存在作为次生相的SnSe(可能源自基底)。AZTSe带隙值(1.77(2) eV)较CZTSe(1.92(2) eV)更低。AFM分析显示两种薄膜均呈金字塔结构,FTO/AZTSe薄膜因孔洞形成而具有更高表面粗糙度。Mott-Schottky曲线表明FTO/CZTSe薄膜呈p型导电,而FTO/AZTSe薄膜为n型导电。J-V测试显示FTO/AZTSe薄膜具有更高的光电转换效率(0.31%)。阻抗谱呈现CZTSe和AZTSe薄膜的半圆特征。实验分析表明FTO/AZTSe薄膜可作为光伏应用的潜在候选材料。
研究不足
与商用CIGS和CdTe相比,CZTSe和AZTSe的效率仍然较低。由于开路电位有限,CZTSe的光电转换性能仍落后于商用太阳能电池。
1:实验设计与方法选择:
采用热蒸发法在FTO基底上沉积Cu2ZnSnSe4(CZTSe)和Ag2ZnSnSe4(AZTSe)薄膜。将金属粉末Cu、Ag、Zn、Sn和Se按化学计量比(2:1:1:4)充分研磨后置于钼舟中进行蒸发。使用HIND HIVAC(型号12A4D)镀膜装置使FTO基底与钼舟保持15厘米距离,在150安培工作电流下沉积CZTSe和AZTSe薄膜。蒸发过程中基底保持室温,压力维持在10^-4毫巴。沉积后的薄膜在空气氛围中300°C退火2小时。
2:样品选择与数据来源:
通过X射线衍射仪(PANalytical X'Pert-PRO,Cu Kα辐射λ=1.5460?)对制备的FTO/CZTSe和FTO/AZTSe薄膜进行表征,衍射图谱采集范围2θ=10°-80°。采用傅里叶变换拉曼光谱仪(BRUKER RFS 27)和紫外-可见分光光度计(UV-2400 PC系列)。使用原子力显微镜(Nanosurf Easyscan 2AFM,加速电压15 keV)分析薄膜表面形貌与粗糙度,扫描电子显微镜(JEOL JSM-5610 LV)记录薄膜截面形貌,测得薄膜厚度约1微米。
3:5460?)对制备的FTO/CZTSe和FTO/AZTSe薄膜进行表征,衍射图谱采集范围2θ=10°-80°。采用傅里叶变换拉曼光谱仪(BRUKER RFS 27)和紫外-可见分光光度计(UV-2400 PC系列)。使用原子力显微镜(Nanosurf Easyscan 2AFM,加速电压15 keV)分析薄膜表面形貌与粗糙度,扫描电子显微镜(JEOL JSM-5610 LV)记录薄膜截面形貌,测得薄膜厚度约1微米。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:HIND HIVAC(型号12A4D)镀膜装置、PANalytical X'Pert-PRO衍射仪、BRUKER RFS 27独立式傅里叶变换拉曼光谱仪、UV-2400 PC系列紫外-可见分光光度计、Nanosurf Easyscan 2AFM原子力显微镜、JEOL JSM-5610 LV扫描电子显微镜。
4:实验流程与操作步骤:
采用标准三电极体系构建电化学电池,以0.05 M多硫化物电解液(0.5 M NaOH+0.5 M Na2S+0.5 M S)为介质,FTO/CZTSe和FTO/AZTSe薄膜作为工作电极,铂丝为对电极,Ag/AgCl为参比电极。在±1V范围、1000 Hz频率下获取Mott-Schottky曲线。光电化学测试采用线性扫描伏安法(LSV),以500 W钨丝灯(光强30 mW/cm2)照射样品。交流阻抗测试在1-1000 Hz频率范围内、0V偏压下记录阻抗谱。
5:05 M多硫化物电解液(5 M NaOH+5 M Na2S+5 M S)为介质,FTO/CZTSe和FTO/AZTSe薄膜作为工作电极,铂丝为对电极,Ag/AgCl为参比电极。在±1V范围、1000 Hz频率下获取Mott-Schottky曲线。光电化学测试采用线性扫描伏安法(LSV),以500 W钨丝灯(光强30 mW/cm2)照射样品。交流阻抗测试在1-1000 Hz频率范围内、0V偏压下记录阻抗谱。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:通过标准公式计算晶粒尺寸、位错密度、微应变及晶格参数。采用Tauc图计算FTO/CZTSe和FTO/AZTSe薄膜的带隙值。根据Mott-Schottky曲线斜率计算载流子浓度。
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