本文關(guān)鍵詞：太陽(yáng)電池吸收層氧化亞銅及銅鋅錫硫材料的制備與性能研究

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【摘要】：近年來(lái),太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源成為世界各國(guó)尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力,其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電以對(duì)裝置和環(huán)境的基本無(wú)選擇性,且可就近發(fā)電等優(yōu)勢(shì)而備受推崇。但與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)還是存在著差距,同時(shí)有些電池制備工藝中還存在環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。為此,探索和開(kāi)發(fā)高效、低成本、環(huán)保型的太陽(yáng)能光伏吸收材料與器件有著極其重大的意義。氧化鋅是Ⅱ-Ⅵ族n型氧化物直接帶隙半導(dǎo)體材料,帶寬為3.37eV,激子結(jié)合能約為60meV,具有很高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。由于其良好的光電性能優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于紫外激光器、發(fā)光二極管、氣敏傳感器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。但是,空位和間隙的存在增加了ZnO晶格內(nèi)本征缺陷,致使很難制備p型ZnO。而氧化亞銅為一種直接帶隙的p型半導(dǎo)體材料,光學(xué)帶隙約為2.0eV,在自然界中儲(chǔ)量豐富,激子傳輸能量和吸收系數(shù)較高,已成為制作太陽(yáng)能電池的理想材料。不足之處在于很難通過(guò)摻雜得到n-Cu2O同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。本論文中,在ZnO納米棒陣列上沉積Cu20制備三維異質(zhì)結(jié),構(gòu)建了n-ZnO/p-Cu2O薄膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池并測(cè)定了其性能。直接禁帶半導(dǎo)體材料銅鋅錫硫(CZTS)四元硫化物是近年來(lái)研究較多的具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體。其光吸收系數(shù)大于104cm-1,禁帶寬度為1.5eV,且CZTS組成元素儲(chǔ)量豐富、無(wú)毒無(wú)害,是太陽(yáng)能電池理想的候選材料,使其在薄膜太陽(yáng)能電池中迅速崛起。本文采用非真空設(shè)備,選用了一步電化學(xué)沉積法和溶膠-凝膠法制備CZTS薄膜,并使用XRD、Raman、SEM、EDS.紫外-可見(jiàn)等表征手段對(duì)其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組成成分、光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。全文主要包括以下五個(gè)部分內(nèi)容：第一部分為緒論,簡(jiǎn)要介紹了太陽(yáng)能電池,著重介紹了CZTS的基本性質(zhì)及其制備方法。第二部分簡(jiǎn)要介紹了ZnO納米棒陣列的制備方法及其沉積溫度對(duì)其形貌的影響。研究結(jié)果表明：沉積溫度在85℃時(shí),納米棒平均直徑在100-150nm,長(zhǎng)度在1.5um,長(zhǎng)徑比大于10,分布均勻且排列緊密,都為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),沿c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。重點(diǎn)研究了Cu2O薄膜電沉積過(guò)程中沉積電壓、pH值、沉積時(shí)間、電解液溫度等生長(zhǎng)條件對(duì)Cu2O薄膜的形貌、晶體結(jié)構(gòu)等性能的影響。ZnO/Cu2O異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中Cu2O生長(zhǎng)在ZnO納米棒陣列頂部,其間的空隙均被填滿(mǎn)；最后組裝了Au/Cu2O/ZnO/ITO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,所制備的電池具有良好的pn結(jié)特性,最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.2%,對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓、電流密度分別為：250mV、7.551mA/cm2。第三部分采用電化學(xué)工作站中的恒電位模式在ITO基底一步法電沉積銅鋅錫硫薄膜,采取兩種濃度溶液進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)確定了最佳薄膜沉積條件：0.02M CuSO4,0.01MZnSO4,0.01M SnCl2,0.01MNa2S2O3,0.2M檸檬酸三鈉,0.1M酒石酸的電解液中,在恒電壓為-1.2V,沉積20min,通過(guò)N2氛圍500℃退火處理lh。所制備出的薄膜表面規(guī)整,存在一定間隙的缺陷,元素比例雖偏離理想化學(xué)計(jì)量比,但帶隙值接近1.5eV,為具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS薄膜,可應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層。第四部分利用溶膠凝膠法結(jié)合旋涂技術(shù)與熱處理工藝得到CZTS薄膜。比較不同熱處理溫度下晶化的CZTS薄膜性質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,N2氛圍450℃進(jìn)行熱處理得到的薄膜樣品的衍射峰對(duì)應(yīng)鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS的(112)(200)(220)和(312)晶面,薄膜表面排布緊密,雖存在一定空隙,但性能表現(xiàn)較好,禁帶寬度為1.49eV。第五部分是總結(jié)與展望,主要是對(duì)本文的一些工作進(jìn)行總結(jié),并對(duì)未來(lái)工作做了進(jìn)一步規(guī)劃。
【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能吸收層 氧化鋅 氧化亞銅 異質(zhì)結(jié) 銅鋅錫硫 薄膜
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O611.4;TM914.4
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-9
• 第一章 緒論9-28
• 1.1 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介10-13
• 1.1.1 太陽(yáng)能電池工作原理10-11
• 1.1.2 太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)11-12
• 1.1.3 太陽(yáng)能電池分類(lèi)12-13
• 1.2 CZTS薄膜太陽(yáng)電池13-16
• 1.2.1 CZTS化合物半導(dǎo)體的由來(lái)13-14
• 1.2.2 CZTS材料性質(zhì)14-15
• 1.2.3 CZTS薄膜太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)15-16
• 1.3 CZTS薄膜制備方法16-21
• 1.3.1 真空法16-18
• 1.3.1.1 真空蒸鍍法16-17
• 1.3.1.2 脈沖激光沉積17
• 1.3.1.3 磁控濺射法17-18
• 1.3.2 非真空法18-21
• 1.3.2.1 溶膠-凝膠法18-19
• 1.3.2.2 連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法19
• 1.3.2.3 電沉積法19-21
• 1.4 論文選題意義、研究目標(biāo)與主要工作21-22
• 1.5 參考文獻(xiàn)22-28
• 第二章 ZnO/Cu_2O的制備及其性質(zhì)研究28-47
• 2.1 前言28-29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分29-31
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器設(shè)備29-30
• 2.2.2 ZnO納米棒陣列的制備30-31
• 2.2.2.1 ITO導(dǎo)電玻璃基底處理30
• 2.2.2.2 前驅(qū)液配置30
• 2.2.2.3 ZnO種子層制備30
• 2.2.2.4 ZnO納米棒陣列的制備30-31
• 2.2.3 ZnO/Cu_2O異質(zhì)結(jié)的制備及太陽(yáng)能電池組裝31
• 2.2.4 材料表征31
• 2.3 結(jié)果與討論31-43
• 2.3.1 ZnO納米棒形貌分析31-32
• 2.3.2 沉積電位對(duì)Cu_2O薄膜的影響32-34
• 2.3.3 沉積電位對(duì)Cu_2O薄膜形貌的影響34-38
• 2.3.4 電解液pH值對(duì)Cu_2O薄膜形貌的影響38-39
• 2.3.5 沉積時(shí)間對(duì)Cu_2O薄膜形貌的影響39-40
• 2.3.6 沉積溫度對(duì)Cu_2O薄膜形貌的影響40-41
• 2.3.7 ZnO/p-Cu2O異質(zhì)結(jié)微觀形貌41-42
• 2.3.8 太陽(yáng)能電池性能測(cè)試42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 2.5 參考文獻(xiàn)44-47
• 第三章 一步電沉積法制備銅鋅錫硫(Cu_2ZnSnS_4)薄膜及性質(zhì)研究47-71
• 3.1 前言47-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分48-52
• 3.2.1 試劑與儀器48-49
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程49-52
• 3.2.2.1 基片處理50
• 3.2.2.2 電解液配置50
• 3.2.2.3 基底活化50
• 3.2.2.4 電沉積制備Cu_2ZnSnS_4薄膜50-51
• 3.2.2.5 薄膜熱處理過(guò)程51-52
• 3.2.3 材料的表征52
• 3.3 結(jié)果與討論52-67
• 3.3.1 循環(huán)伏安法52-54
• 3.3.2 恒電位沉積銅鋅錫硫膜層54-55
• 3.3.3 XRD結(jié)構(gòu)分析55-58
• 3.3.4 拉曼組分分析58-59
• 3.3.5 SEM形貌分析59-63
• 3.3.5.1 溶液A59-61
• 3.3.5.2 溶液B61-63
• 3.3.6 薄膜組份分析63-65
• 3.3.7 CZTS薄膜紫外-可見(jiàn)測(cè)試65-67
• 3.4 本章小結(jié)67-68
• 3.5 參考文獻(xiàn)68-71
• 第四章 溶膠-凝膠法制備銅鋅錫硫(Cu_2ZnSnS_4)薄膜及性質(zhì)研究71-82
• 4.1 前言71-72
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分72-75
• 4.2.1 試劑與儀器72-73
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程73-75
• 4.2.2.1 基底清洗73-74
• 4.2.2.2 前驅(qū)體的配置74
• 4.2.2.3 旋涂與預(yù)熱處理74-75
• 4.2.2.4 后熱處理75
• 4.2.3 材料的表征75
• 4.3 結(jié)果與討論75-80
• 4.3.1 物相結(jié)構(gòu)分析75-76
• 4.3.2 拉曼表征分析76-77
• 4.3.3 CZTS薄膜形貌分析77-78
• 4.3.4 CZTS薄膜成分分析78-79
• 4.3.5 CZTS薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)分析79-80
• 4.4 本章小結(jié)80-81
• 4.5 參考文獻(xiàn)81-82
• 第五章 全文總結(jié)與展望82-84
• 5.1 結(jié)論82-83
• 5.2 展望83-84
• 致謝84-85
• 攻讀碩士研究生期間發(fā)表及待發(fā)表的論文85-86
• 一、在校期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文85
• 二、在校期間申請(qǐng)的專(zhuān)利85
• 三、參加會(huì)議85-86

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本文編號(hào)：709902