SnS薄膜的掺杂改性及其在太阳电池上的应用

硫化亚锡（SnS）具有禁带宽度合适、光电转换效率高、吸收系数大、价廉、毒性小等特点，适合于作为太阳能电池的吸收层。但是,非掺杂的SnS薄膜的半导体特性不够理想，如载流子浓度偏低，电阻率偏大，等等。为了改善其半导体特性，本项目拟用脉冲电沉积法在FTO透明导电玻璃基片上制备掺杂（如分别掺杂Ag、Cu、In等）的SnS薄膜。深入研究薄膜的制备条件、掺杂元素和浓度对其光电性能的影响，探索制备理想的p型SnS薄膜的最佳工艺以及掺杂元素和条件。用第一性原理研究SnS薄膜中的缺陷、掺杂元素和剂量对SnS薄膜的能带结构和光电性能的影响，为SnS薄膜的掺杂设计和制备提供理论依据。制备出吸收系数大、能带间隙合适、载流子浓度大、电阻率低的掺杂的p型SnS薄膜，为研制新型的SnS薄膜太阳能电池奠定基础。研究结果在新型光电功能材料、新材料设计、新型半导体材料、光电子器件等相关领域也具有重要的科学意义。

为了改善SnS薄膜的光电特性，本项目采用真空蒸发法制备了掺杂的SnS薄膜，掺杂源分别为铝、铜、银和铟。通过改变不同掺杂源的掺杂浓度（0 at.%～15at.%），研究掺杂源和掺杂浓度对SnS薄膜的物相、结构、形貌和光电性能的影响，制备出了光电性能良好的掺杂的SnS薄膜。研制了SnS薄膜太阳电池的窗口层材料，如ITO薄膜、CdS薄膜、ZnS薄膜、In2S3薄膜等，并初步研制出了效率为0.0025%、结构为Glass/ITO/CdS/SnS/Ag的薄膜太阳电池。发表论文10篇，申请专利3件，培养研究生4人，出席国内和国际重要学术会议10人次。具体结果如下：.1）所制备的掺杂SnS薄膜表面致密，厚度均匀，附着力较好；不同掺杂源条件下制备的掺杂SnS薄膜主要成分仍为正交结构的SnS，且沿（111）晶面择优生长，结晶性较好。铝和银掺杂未产生新的物相，均以间隙式掺杂为主，一定的掺杂还有助于改善薄膜的结晶度。铜掺杂是以替位式为主，当掺杂浓度为15 at.%时，会引入新的物相Sn2S3。铟掺杂容易产生严重的晶格畸变，同时生成新的物相SnS2和In5S4。.2）掺杂对SnS薄膜的禁带宽度有明显的影响。铝和银掺杂由于间隙式掺杂引入了局域能级，SnS薄膜的禁带宽度（Eg）随着掺杂浓度的增加而减小（SnS:Al的Eg =1.5 eV～1.29 eV 和SnS:Ag的Eg=1.5 eV～1.32 eV）；而铜和铟掺杂由于引入了新的物相，导致薄膜的禁带宽度先减小后增加。所有掺杂的样品，其吸收系数都大于1.5×104 cm-1，满足太阳能电池吸收层的要求。.3）掺杂可改善SnS薄膜的半导体特性。掺杂的SnS薄膜均为p型导电类型，掺杂有助于提高载流子的浓度，降低电阻率； 其中，铝掺杂的效果最好，当其浓度为15 at.%时，SnS:Al薄膜的电阻率和迁移率分别为4.55 Ω•cm和5.10 cm2•v-1•s-1。.4）利用最优掺杂的SnS:Al薄膜，制备出了结构为GLS/ITO/CdS/SnS/Ag的薄膜太阳电池，在AM1.5光照（100 mW/cm2）下测得：开路电压为87 mV，短路电流密度为0.095 mA/cm2；最大功率为0.002 mW，填充因子为0.3，光电转换效率为0.0025%。.上述结果为进一步提高SnS薄膜太阳电池效率奠定了较好的基础。

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