CuInS_2薄膜太阳能电池的制备和表征

【摘要】：太阳能作为清洁型新能源的主题，被赞誉为人类之父，具有非常广阔的开发前景。在所有的光伏器件中，CuInS_2是直接带隙半导体材料，吸光系数较大，适合作薄膜太阳能电池的光吸收层。本文采用恒电位沉积法沉积CuInS_2薄膜，因为电沉积法的成本低，可在室温下大面积沉积。 采用一步电沉积法在FTO玻璃基体上沉积p-CuInS_2薄膜；电解液为含有硫酸铜、硫酸铟、硫代硫酸钠和柠檬酸钠的硫酸盐水溶液体系，将FTO玻璃作为阴极，并利用9因素4水平的正交实验对电沉积CuInS_2薄膜工艺进行了优化，获得了最优的电沉积CuInS_2薄膜工艺。 本文采用化学水浴法制备n-In2S3薄膜。In2S3属于III-VI族化合物，适合作为太阳能电池的n型缓冲层材料归因于其具有极好的材料性质如禁带宽度为2.0-2.45eV，自身不具有毒性且不含有毒元素；并且In2S3本身的组成元素与CuInS_2薄膜相同，从而有利的降低了CuInS_2与In2S3二者之间的界面态，这样不仅降低界面态及光生载流子的复合度，且有利于提高界面处的晶格匹配程度。同时，制作了太阳能电池组件，并对其进行测试，获得Voc、Isc等参数信息。 在以上实验基础上，分别对CuInS_2薄膜和In2S3薄膜进行表征分析，主要包括：采用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)进行表面形貌分析；采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子光谱(XPS)对薄膜的结构及成分进行分析；采用线性扫描和吸收光谱测试对薄膜光电性能进行分析；采用冷热探针实验对薄膜半导体类型进行分析。 另外，基于第一性原理的密度泛函理论，采用Materials Studio5.5软件中的Reflex模块确定实验中的黄铜矿相模型，并用CASTEP和DMol3模块，在几何优化后选择GGA计算交换-关联能，模拟计算了CuInS_2的能带结构和态密度，获得其禁带宽度为1.40eV，与实验所获得的结果接近。 【关键词】：CuInS_2 In2S3 太阳能电池 电沉积 模拟
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 太阳能11
• 1.2 太阳能电池11-12
• 1.2.1 太阳能电池参数11-12
• 1.2.2 太阳能电池的原理12
• 1.3 薄膜太阳能电池研究进展及发展前景12-14
• 1.3.1 薄膜太阳能电池研究进展12-14
• 1.3.2 CuInS_2薄膜太阳能电池发展前景14
• 1.4 In_2S_3薄膜在太阳能电池中的应用及制备方法14-16
• 1.4.1 In_2S_3薄膜的基本性质及应用14-15
• 1.4.2 β-In_2S_3薄膜的制备方法15-16
• 1.5 本课题的研究目的及主要内容16-18
• 1.5.1 本课题的研究目的16
• 1.5.2 本课题的主要内容16-18
• 第2章 实验设计及测试方法18-24
• 2.1 实验设计18-19
• 2.1.1 实验试剂及仪器18-19
• 2.1.2 实验工艺流程19
• 2.2 实验原理19-21
• 2.2.1 电沉积 CuInS_2机理19-20
• 2.2.2 化学浴沉积 In_2S_3薄膜机理20-21
• 2.3 测试方法21-23
• 2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)测试21
• 2.3.2 原子力显微镜(AFM)测试21
• 2.3.3 X 射线衍射(XRD)测试21
• 2.3.4 X 射线光电子光谱(XPS)测试21-22
• 2.3.5 光电性能测试22
• 2.3.6 紫外-可见光吸收光谱测试22
• 2.3.7 冷热探针实验22-23
• 2.3.8 太阳能电池性能测试23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 电沉积 CuInS_2薄膜工艺优化及性能测试24-37
• 3.1 正交实验优化电沉积 CuInS_2薄膜24-27
• 3.1.1 正交实验设计及结果24-25
• 3.1.2 正交实验结果分析25-27
• 3.1.3 热处理温度的影响27
• 3.2 CuInS_2薄膜性能分析27-33
• 3.2.1 薄膜光学性能的分析27-29
• 3.2.2 薄膜吸收光谱测试分析29-30
• 3.2.3 薄膜表面形貌分析30-31
• 3.2.4 薄膜 XRD 结果分析31-32
• 3.2.5 薄膜 XPS 结果分析32-33
• 3.2.6 薄膜半导体类型分析33
• 3.3 CuInS_2电沉积机理研究33-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 In_2S_3薄膜的制备及表征37-43
• 4.1 In_2S_3薄膜的制备37
• 4.2 In_2S_3薄膜的表征37-40
• 4.2.1 薄膜吸收光谱测试分析37
• 4.2.2 薄膜光学性能的分析37-38
• 4.2.3 In_2S_3薄膜 SEM 分析38-39
• 4.2.4 In_2S_3薄膜 AFM 分析39-40
• 4.2.5 In_2S_3薄膜 XRD 分析40
• 4.2.6 In_2S_3的 XPS 分析40
• 4.3 太阳能电池测试40-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第5章 计算方法及理论计算43-51
• 5.1 第一性原理43
• 5.2 密度泛函理论43-44
• 5.3 软件介绍44-45
• 5.3.1 CASTEP 软件包简介44
• 5.3.2 DMol3 软件包介绍44-45
• 5.4 能带理论45-46
• 5.4.1 发展历程45-46
• 5.4.2 能带理论介绍46
• 5.5 物理模型及计算方法46-48
• 5.5.1 建立模型46-47
• 5.5.2 计算方法47-48
• 5.6 计算结果与分析48-50
• 5.6.1 DMol3 模拟结果与分析48-49
• 5.6.2 CASTEP 模拟结果与分析49-50
• 5.7 本章小结50-51
• 结论51-53
• 参考文献53-57
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文57-58
• 致谢58

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