液相法制备CIGS薄膜太阳能电池材料及表征

【摘要】：太阳能是太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量，也是最可能稳定利用的能源，环保更是其不可替代的特点。太阳能利用中最重要方式的是光伏发电，可以将太阳光能直接转化为电能，也是太阳能利用研究中最重要的研究领域之一。如果能够量化燃烧化石能源所带来的环境污染、气候变暖、人类健康等隐性成本，太阳能发电将是最经济的方式之一。 有效单位面积0.5cm~2的CIGS薄膜太阳能电池的实验室转化效率已突破20.3%，商业运用中的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件转换效率达到了15.7%，这明显高于CdTe或a-Si等太阳能电池器件。在所有可以在光伏领域应用的材料中，CIGS系薄膜太阳能电池由于其转换效率高、制作成本低廉、性能稳定，无疑将成为未来太阳能产业的主导。CIGS的光吸收系数高达10~5cm~(-1)，在至今报道过的半导体中光吸收系数最高。具有这么高的吸收系数,利于太阳电池基区光子的吸收和少数载流子的收集,即吸收层的厚度只要1～2μm就达到要求，这样就可以降低了昂贵原材料的消耗。CIGS薄膜作为吸收层，是CIGS多晶薄膜太阳能电池的最重要的关键组成部分。制备高效率薄膜太阳能电池的CIGS薄膜应该偏离材料化学计量比较小，具有黄铜矿结构，具有较好的致密性的较大的CIGS晶粒。CIGS薄膜作为CIGS多晶薄膜太阳能电池的吸收层，制备方法基本上分为真空工艺和非真空工艺俩大类。中真空技术要求复杂的设备，大量的能量消耗，造就了高昂的成本，不利于CIGS多晶薄膜太阳能电池的市场化。同时非真空工艺具有降低CIGS生产成本和更容易控制其计量比等优点。非真空的液相法为制备高质量的CIGS多晶薄膜材料提供了新的思路，液相法制备的CIGS薄膜，具有质量高，化学计量比可控，颗粒小，设备要求低等优点。相比于乙二胺，三乙烯四胺具有很好的络合性能和还原性。本文以三乙烯四胺为溶剂，通过液相法制备CIGS纳米材料，包括CIGS纳米颗粒、CIGS薄膜和CIGS纳米管等，并用TEM、HRTEM、SEM、XRD、EDS和XPS等表征手段证明了制备出的纳米材料确实是我们的目标产物，并用I-V和表面光电压等表征手段表征了材料的电学性能和光学性能等。通过这些表征手段初步测定了材料的物理和化学性能，说明了材料的可以在光伏领域有很好的应用前景。 本文利用三乙烯四胺作为溶剂，同时也是还原剂，以乙酰丙酮盐和Se粉为反应原料，在空气下回流，液相法制备单分散的CuIn_xGa_(1-x)Se_2纳米颗粒。本方法也为大量制备CIGS纳米颗粒和制备质优价廉的CIGS多晶薄膜太阳能电池提供新的思路，以便加快CIGS多晶薄膜太阳能电池的市场化。又利用三乙烯四胺作为溶剂，同时也是还原剂，以乙酰丙酮盐和Se粉为反应原料，制备CIGS前驱体溶液，然后滴涂在FTO上，热处理，得到了CIGS薄膜。该方法简单，可以大面积制备CIGS薄膜，同时不受基底的形貌等的限制。不需要Se化过程，避免使用剧毒的H_2Se，同时简化实验过程。同时，本方法不需要价格高昂的真空设备和巨大的能量消耗，将制备价格低廉的CIGS多晶薄膜太阳能电池提供新的思虑，以便加快CIGS多晶薄膜太阳能电池的市场化。同时利用三乙烯四胺作为溶剂，同时也是还原剂，以乙酰丙酮盐和Se粉为反应原料，以AAO为硬模板，在空气下，湿化学法制备了单晶CIGS纳米管。不需要Se化过程，避免使用剧毒的H_2Se气体，同时简化实验过程。我们利用XRD、SEM、TEM和EDS等分析手段对样品进行了表征，得到的单晶CIGS纳米管。 【关键词】：CIGS 液相法 薄膜 太阳能电池
【学位授予单位】：河南大学
【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10-35
• 1.1 太阳能利用的重要性10-11
• 1.2 太阳能电池的发展概况11-14
• 1.3 太阳电池的种类14-19
• 1.3.1 硅基太阳电池14-15
• 1.3.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池15-16
• 1.3.3 碲化镉（CdTe）多晶薄膜太阳电池16
• 1.3.4 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ_2族化合物(CIS)薄膜太阳能电池16-18
• 1.3.5 有机半导体太阳电池18
• 1.3.6 染料敏化电池18-19
• 1.4 铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池19-26
• 1.4.1 CIGS 的晶体结构和特性19-21
• 1.4.2 CIGS 太阳能电池的结构21-22
• 1.4.3 CIGS 太阳能电池的性能参数22-24
• 1.4.4 CIGS 薄膜的制备方法24-26
• 1.5 选题依据、意义及研究内容26-28
• 1.5.1 选题依据与意义26-27
• 1.5.2 研究内容27-28
• 参考文献28-35
• 第二章 液相法制备 CIGS 纳米颗粒35-53
• 2.1 引言35-36
• 2.2 实验36-37
• 2.2.1 试剂及仪器36
• 2.2.2 CIGS 纳米颗粒的制备36
• 2.2.3 CIGS 多晶薄膜的制备36-37
• 2.3 结果与讨论37-47
• 2.3.1 CIGS 纳米颗粒的 XRD 表征分析37-39
• 2.3.2 CIGS 纳米颗粒的形貌表征分析39-41
• 2.3.3 CIGS 纳米颗粒的 EDS 分析41-43
• 2.3.4 CIGS 纳米颗粒的吸收特性分析43-45
• 2.3.5 CIGS 纳米颗粒的 XPS 分析45-47
• 2.4 CIGS 薄膜的表征与分析47-50
• 2.4.1 CIGS 薄膜的形貌分析47-49
• 2.4.2 薄膜的光电分离特性49-50
• 2.5 本章结论50-51
• 参考文献51-53
• 第三章 液相法直接制备 CIGS 多晶薄膜53-71
• 3.1 引言53-54
• 3.2 实验54-55
• 3.2.1 试剂及仪器54
• 3.2.2 基底处理54
• 3.2.3 CIGS 前驱体溶液制备54-55
• 3.2.4 CIGS 多晶薄膜的制备55
• 3.3 结果与讨论55-66
• 3.3.1 CIGS 薄膜的 XRD 表征分析55-57
• 3.3.2 CIGS 纳米颗粒的形貌和组分表征分析57-61
• 3.3.3 CIGS 薄膜的 XPS 分析61-62
• 3.3.4 CIGS 薄膜的吸收特性分析62-64
• 3.3.5 CIGS 薄膜的光电分离特性64-65
• 3.3.6 CIGS 薄膜的 I-V 曲线分析65-66
• 3.4 CIGS 薄膜作为 DSSC 电池的背电极的应用66-67
• 3.5 本章结论67-68
• 参考文献68-71
• 第四章 CIGS 纳米管的制备71-80
• 4.1 前言71-72
• 4.2 实验72-73
• 4.2.1 试剂及仪器72
• 4.2.2 实验过程72-73
• 4.3 结果与讨论73-76
• 4.3.1 CIGS 纳米管的 XRD 表征分析73-74
• 4.3.2 CIGS 纳米管的形貌与组分表征分析74-76
• 4.4 本章结论76-78
• 参考文献78-80
• 结论与展望80-82
• 工作总结80-81
• 工作展望81-82
• 硕士期间发表的文章和工作82-83
• 致谢83-84

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