新型铜系太阳能电池材料的研究

【摘要】：近年来,铜铟镓硒(CIGS)系薄膜太阳能电池因其具有较强的抗辐射能力,制造成本低,弱光性好,长期性能稳定性好等优点,转换效率接近多晶硅的水平,同时它可在柔性基材上使用,而被国际上称为下一时代的最有发展前景的廉价太阳能电池。 本文从CIGS薄膜太阳能电池的吸收层材料着手,采用非真空法制备CIGS纳米晶粉末,以旋涂烧结的方式制备CIGS吸收层薄膜,有利于降低太阳能电池的成本。 首先采用溶剂热法,分别以水合肼和乙二胺为还原剂,试制CuInSe2纳米晶。通过XRD、SEM分析不同温度及反应时间的产物形貌,结果显示采用水合肼为还原剂产物多为片状结晶,而采用乙二胺为还原剂得到的产物具有较好形貌且多为纯相。但是其反应时间过长,溶剂乙二胺易燃,低毒有一定危险性,难以大规模生成。采用TEA为反应溶剂,通过非注入法制备CuInSe2纳米晶,XRD、SEM结果显示所得纳米晶相纯度随着反应时间的增加而趋于单相,呈均匀的类球型结构,XPS和EDX结果证明了其化学计量比以及元素价态。UV-VIS测试得到纳米晶的能带隙为1.03±0.03eV,符合光伏应用的要求。 在前面工艺基础上通过掺入适量的Ga来替代In的位置,使生成的铜铟镓硒纳米晶的能带隙宽度在1.0eV-1.75eV之间,UV-VIS测试结果显示能带隙的宽度值和Ga的含量成正比。当Ga/(In+Ga)的比例在0.2-0.3时,所获得的铜铟镓硒纳米晶能带隙宽度范围为1.4～1.6eV,符合高效的CIGS薄膜太阳能电池对材料的要求。 第三步以低成本的Zn,Sn元素替代纳米晶CuInxGa(1-x)Se2中的In, Ga元素制备Cu2ZnSnSe4(?)米晶。通过XRD、SEM、DSC测试其形貌与结晶性。UV-VIS测试得到制得的CZTSe纳米晶的禁带宽度为1.04eV,与理论值一致。有利于进一步降低CIGS太阳能电池的成本。 最后以前面制备好的CIGS纳米晶为原料,通过向溶液中加入乙基纤维素,获得均匀稳定的CIGS油墨。通过甩胶机旋涂形成均匀的薄膜,在氩气保护下,硒化氛围中烧结重结晶形成致密的CIGS膜。通过SEM分析不同的烧结环境对成膜质量的影响。 【关键词】：铜铟镓硒 铜锌锡硒 纳米晶 光伏材料 非注入法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 太阳能电池发展的背景与意义10-11
• 1.2 太阳能电池的基本原理及分类11-13
• 1.3 CIGS薄膜太阳能电池的研究现状13-15
• 1.4 CIGS薄膜太阳能电池的结构和基本原理15-18
• 1.4.1 CIGS的结构、电学和光学性质16-18
• 1.5 CIGS吸收层的制备方法18-21
• 1.5.1 真空法18-19
• 1.5.2 非真空法19-21
• 1.6 论文的选题及研究方案21-23
• 第二章 实验方案及表征方法23-27
• 2.1 纳米晶材料的制备方法23-24
• 2.2 纳米晶材料微观结构的表征方法24-26
• 2.2.1 X射线衍射仪(XRD)24-25
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)25
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)25-26
• 2.3 纳米晶材料元素组分和价态的表征方法26
• 2.4 纳米晶材料的光学特性表征26-27
• 第三章 CIGS纳米晶粒子的制备27-49
• 3.1 溶剂热法合成CIGS纳米晶粒子27-37
• 3.1.1 实验试剂27
• 3.1.2 采用水合肼为溶剂合成CIGS纳米晶粒子27-32
• 3.1.3 采用乙二胺为溶剂合成CIGS纳米晶粒子32-37
• 3.2 非注入法合成CIGS纳米晶粒子37-45
• 3.2.1 实验试剂37-38
• 3.2.2 实验步骤38
• 3.2.3 结果与讨论38-45
• 3.3 Cu(InGa)Se2纳米材料的制备45-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 CZTSe纳米晶粒子的制备49-55
• 4.1 实验试剂49
• 4.2 实验步骤49-50
• 4.3 结果与讨论50-53
• 4.3.1 合成产物的形貌分析50-51
• 4.3.2 合成产物的组成分析51-53
• 4.4 CZTSe纳米晶的光学特性测试53-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 浆料配制及吸收层制备55-59
• 5.1 实验试剂55
• 5.2 实验步骤55-58
• 5.2.1 浆料制备55-56
• 5.2.2 CIGS吸收层的制备56-58
• 5.3 本章小结58-59
• 第六章 结论59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 攻硕期间取得的研究成果65

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