CZTS纳米晶薄膜太阳能电池材料的制备与表征

【摘要】：Cu_2ZnSnS_4（简称CZTS）是一种直接带隙p型半导体，由于其禁带宽度（1.5eV）与太阳能电池的最佳禁带宽度值匹配，光吸收系数大于104cm-1，因而成为潜在的薄膜太阳能电池吸收层材料。目前转换效率最高的CZTS光伏设备其吸收层是通过真空沉积法制备的。这种方法所需设备昂贵，制造成本过高，而采用胶体化学合成方法制备CZTS吸收层能够有效降低成本。因此，本论文分别采用热注入法和溶胶凝胶法这两种胶体合成方法来制备CZTS吸收层薄膜，讨论了制备参数对样品的影响并对比两种方法的优缺点。然后研究了窗口层和缓冲层的制备。 论文第一章先介绍太阳能电池的基本理论，然后综述了CZTS吸收层材料及其薄膜太阳能电池制备的研究进展，最后提出了论文研究的主要内容、研究思路及研究意义。 论文第二章主要采用热注入法合成Cu_2ZnSnS_4纳米颗粒并对其进行表征，然后用纳米颗粒制备了薄膜并讨论了滴涂和逐层提拉两种制膜方法的优劣和烧结与不烧结得到的薄膜质量的好坏。粉末X射线衍射结果显示合成温度为240°C、250°C、260°C下得到的样品为四方晶型的CZTS晶体颗粒；而当合成温度高于275°C时，样品中生成了一种新相，即纤锌矿（六方晶型）型CZTS晶体。透射电镜测试分析表明纳米颗粒形状规则，分散较好，其中260°C下合成的样品颗粒最为均匀；而反应温度为250°C的样品出现了颗粒的团聚，颗粒度达到60nm。拉曼光谱分析表明确实得到了CZTS这种物质，并且拉曼光谱能够有效的区分XRD无法区分的ZnS、Cu_2SnS_3和CZTS之间的微小差别。紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果表明，不同反应温度下制备的CZTS纳米晶均在可见光区域有着极强的吸收。其禁带宽度基本保持在1.5eV左右。纳米颗粒薄膜的SEM照片显示采用滴涂制备的薄膜表面会出现片状结构或者出现大量孔隙。而采用逐层提拉法制备的薄膜可以有效消除这些结构。采用滴涂法制备的薄膜烧结后得到的晶粒变大，并出现了棒状结晶。EDS能谱图表明薄膜烧结后会造成硫元素的损失。 论文第三章采用溶胶凝胶法制备了CZTS薄膜。对薄膜XRD研究表明：得到的薄膜结晶性一般。但随后的拉曼光谱图证实确实得到了CZTS。薄膜的紫外-可见吸收光谱图显示其禁带宽度在1.5eV左右。薄膜表面的SEM照片显示表面存在较多的孔隙，随着烧结温度的提高薄膜会变得越来越致密，薄膜表面的孔隙变得越来越小，越来越稀疏。薄膜断面的SEM照片显示膜厚为2.21μm，薄膜是由块状的多晶构成。 论文第四章采用溶胶凝胶法在普通的钠钙玻璃衬底上提拉制备了CZTS薄膜太阳能电池中的窗口层：透明导电ZnO掺Al薄膜（简称AZO），并对其进行了表征。研究了不同的Al掺杂量和不同的烧结温度对薄膜的影响。XRD图谱显示，随着Al掺杂量的增加ZnO的衍射峰逐渐变弱。薄膜的拉曼光谱图显示580cm-1和437cm-1两个主要峰，两峰都对应ZnO的拉曼特征峰。SEM照片表明随着烧结温度的升高构成薄膜的晶体颗粒随之变大。平均每提拉一层的厚度在40~50nm之间。 论文第五章采用化学浴法制备了CZTS薄膜太阳能电池中ZnS缓冲层并进行了表征。 最后是本文的结论部分，将实验研究所得到的主要结果及结论进行总结概括，最后还指出不足及需要进一步研究之处。 【关键词】：热注入法 溶胶凝胶法 CZTS 纳米颗粒 窗口层 缓冲层
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-13
• 1 绪论13-31
• 1.1 太阳能电池基本理论13-19
• 1.1.1 本征，p 型和 n 型半导体以及 pn 结13-14
• 1.1.2 光电效应14-16
• 1.1.3 转换效率16-17
• 1.1.4 太阳能电池等效电路17-18
• 1.1.5 太阳能电池能量的损失18-19
• 1.2 薄膜太阳能电池19-22
• 1.2.1 基本结构19-20
• 1.2.2 可能的材料20-22
• 1.3 CZTS22-28
• 1.3.1 材料特性22-23
• 1.3.2 制备方法23-28
• 1.4 本论文研究思路及主要工作28-31
• 1.4.1 本论文的研究内容28-29
• 1.4.2 本论文的研究手段29
• 1.4.3 本论文的研究目的及意义29-31
• 2 CZTS 纳米颗粒及其薄膜的制备与表征31-42
• 2.1 引言31
• 2.2 实验原理31-32
• 2.3 实验部分32-33
• 2.3.1 实验设备32-33
• 2.3.2 实验原料33
• 2.3.3 样品的制备33
• 2.3.4 样品的测试33
• 2.4 结果与讨论33-41
• 2.5 本章小结41-42
• 3 溶胶凝胶法制备 CZTS 薄膜42-49
• 3.1 引言42
• 3.2 实验原理42-43
• 3.3 实验部分43-44
• 3.3.1 实验设备43
• 3.3.2 实验原料43
• 3.3.3 样品的制备43-44
• 3.3.4 样品的测试44
• 3.4 结果与讨论44-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 溶胶凝胶法制备 ZnO: Al (AZO)窗口层49-61
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验原理50
• 4.3 实验部分50-51
• 4.3.1 实验设备50
• 4.3.2 实验原料50-51
• 4.3.3 样品的制备51
• 4.3.4 样品的测试51
• 4.4 结果与讨论51-60
• 4.5 本章小结60-61
• 5 化学浴法制备 ZnS 窗口层61-68
• 5.1 引言61
• 5.2 实验原理61-62
• 5.3 实验部分62-63
• 5.3.1 实验设备62
• 5.3.2 实验原料62-63
• 5.3.3 样品的制备63
• 5.3.4 样品的测试63
• 5.4 结果与讨论63-67
• 5.4.1 柠檬酸钠浓度对薄膜的影响63-64
• 5.4.2 沉积时间对薄膜的影响64-66
• 5.4.3 烧结温度对薄膜的影响66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 6 结论68-70
• 参考文献70-76
• 在学研究成果76-77
• 致谢77

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