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铜基光吸收层薄膜的绿色溶液法制备及其光伏器件研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-19 04:07:08
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铜基光吸收层薄膜的绿色溶液法制备及其光伏器件研究【摘要】:铜基薄膜太阳电池有着诸多优点,其光电转换效率居于各种薄膜太阳电池之首,引起了光伏界的广泛关注。传统的真空工艺存在着成本高昂

【摘要】:铜基薄膜太阳电池有着诸多优点,其光电转换效率居于各种薄膜太阳电池之首,引起了光伏界的广泛关注。传统的真空工艺存在着成本高昂、制程复杂等问题,为了进一步降低成本、简化制程,研究人员将精力转向CIGS的非真空制备工艺。本论文即探索了成本低廉、绿色环保、适于大面积应用的铜基薄膜电池非真空工艺。论文主要包括三个部分,具体内容如下: 第一部分,铜铟硒硫(CISS)光吸收层薄膜的制备与表征:首先,探索出新型前驱体溶液的绿色合成技术工艺。本文选择了Cu(NO3)2·3H2O和InCl3·4H2O分别作为前驱物中的Cu源及In源,使用无水乙醇作为溶剂,选用低沸点的正丁胺作为络合剂,使用CS2作为增稠剂和硫源;并研究了Cu/In化学计量比对CISS薄膜质量的影响,并得到最佳配比为Cu/In=0.8/1.0。其次,对成膜方法及预处理工艺进行了研究。通过对刮涂法和旋涂法两种不同成膜工艺的的比较,得出旋涂工艺更适于本前驱体溶液的均匀成膜;同时,探索出最佳的预处理条件为:气氛:N2;加热温度:350℃;处理时间:5min。第三,研究了预置膜的硒化和硫化工艺。本论文选择固态硒粉和硫粉分别作为硒源和硫源,采用双温区管式炉进行硒化和硫化处理,并研究得到最佳工艺参数为:硒化温度550℃,硒化时间60min,硫化温度550℃,硫化时间20min;最后,CISS薄膜的性能表征。通过XRD、SEM、Raman、EDS及UV-VIS-IR等表征,结果显示:薄膜具有(112)择优取向的黄铜矿结构,并制备出了大晶粒且致密的高质量薄膜,其带隙值约为1.25eV,所制CISS光吸收层薄膜适于制备太阳电池器件。 第二部分,铜锌锡硫(CZTS)光吸收层的制备与表征:针对CIGS太阳电池中的铟和镓储量有限、价格高昂的问题,本论文使用储量丰富且环境友好的Zn、Sn代替In、Ga,制备出铜锌锡硫太阳电池。本实验将正丁胺和CS2这组绿色溶剂试用于制备CZTS吸收层薄膜,并且探索出与之相适应的制备工艺:硒化温度500℃,硒化时间60min,硫化温度500℃,硫化时间20min。通过XRD、SEM、Raman、EDS及UV-VIS-IR等表征,结果显示:薄膜属于黄锡矿结构,同样得到了大晶粒致密薄膜,其带隙值约为1.24eV。 第三部分,原理型光伏器件的制备:本论文采用化学浴法制备缓冲层CdS薄膜,沉积条件为:水浴温度60℃、反应时间20min;采用磁控溅射法制备窗口层,气氛分压0.8Pa、溅射功率150W、溅射时间30min;采用热蒸发法制备顶电极,选用了银作为顶电极材料。对所制备的原理型器件进行了光电转换效率测试,得到CISS电池硫化前后的开路电压分别为270mV和440mV,电流密度分别为33.5mA/cm2和18.5mA/cm2,填充因子分别为0.47和0.52,转换效率分别为4.16%和4.25%;得到CZTS太阳电池开路电压310mV,电流密度26.5mA/cm2,填充因子0.34、转换效率为2.7%。本研究成功制备出了一定光电转换效率的原理型光伏器件,证明了该非真空技术工艺具有较大的研究价值和商业应用前景。 【关键词】:薄膜太阳电池 绿色溶液法 铜铟硒硫 铜锌锡硫 硒化及硫化
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 致谢7-8
  • 摘要8-10
  • ABSTRACT10-12
  • 目录12-15
  • 插图清单15-17
  • 表格清单17-18
  • 第一章 绪论18-28
  • 1.1 太阳能电池的研究背景及发展现状18
  • 1.2 太阳能电池的分类18-21
  • 1.2.1 硅太阳电池19-20
  • 1.2.2 有机半导体太阳能电池20
  • 1.2.3 多元化合物薄膜太阳电池20-21
  • 1.3 铜基薄膜太阳电池简介21-24
  • 1.3.1 CIGS 太阳电池的研究进展21
  • 1.3.2 CZTS 太阳电池研究进展21-22
  • 1.3.3 非真空法制备 CIGS 技术简介22-24
  • 1.4 液相涂覆法制备铜基薄膜太阳电池简介24-27
  • 1.4.1 涂覆浆料的制备24
  • 1.4.2 溶剂和添加剂的选择24-25
  • 1.4.3 前驱物的选择25-27
  • 1.5 本课题的主要研究内容及意义27-28
  • 第二章 铜基薄膜太阳电池的原理、结构及表征28-37
  • 2.1 太阳能电池的原理28-30
  • 2.1.1 p 型半导体与 n 型半导体28-29
  • 2.1.2 p‐n 结及内建电场29
  • 2.1.3 铜基薄膜太阳电池的工作原理29-30
  • 2.2 CISS 太阳电池的结构30-32
  • 2.2.1 CISS 吸收层30-32
  • 2.2.2 CdS 缓冲层32
  • 2.2.3 i‐ZnO/AZO 窗口层32
  • 2.2.4 背电极及衬底32
  • 2.3 CISS 太阳电池的表征32-37
  • 2.3.1 X 射线衍射32-33
  • 2.3.2 拉曼散射33
  • 2.3.3 扫描电子显微镜33-34
  • 2.3.4 紫外‐可见光‐近红外分光光度计34-35
  • 2.3.5 霍尔效应35-36
  • 2.3.6 半导体性能测试系统及太阳光模拟器36-37
  • 第三章 铜铟硒硫太阳电池光吸收层的制备37-53
  • 3.1 引言37
  • 3.2 CISS 前驱物溶液组分探索37-43
  • 3.2.1 实验设计思路及原料的选择37-38
  • 3.2.2 溶液中 Cu、In 元素的化学计量比的影响38-42
  • 3.2.3 溶液中正丁胺与 CS2的使用42-43
  • 3.3 CISS 前驱物薄膜的制备43-47
  • 3.3.1 涂膜方法的选择43-45
  • 3.3.2 预置膜的热处理工艺45-47
  • 3.4 CISS 吸收层薄膜的硒化和硫化47-49
  • 3.4.1 硒化时间的影响47-48
  • 3.4.2 硫化时间的影响48-49
  • 3.5 最佳制备工艺制得 CISS 吸收层薄膜的表征结果与讨论49-52
  • 3.5.1 CISS 吸收层的 XRD 分析49
  • 3.5.2 CISS 吸收层拉曼图谱分析49-50
  • 3.5.3 CISS 吸收层的光学特性分析50-51
  • 3.5.4 CISS 吸收层的 SEM 及 EDS 分析51-52
  • 3.5.5 CISS 吸收层的霍尔效应分析52
  • 3.6 本章小结52-53
  • 第四章 CZTS 太阳电池吸收层的制备53-59
  • 4.1 引言53
  • 4.2 实验设计思路及过程53-55
  • 4.2.1 实验设计53-54
  • 4.2.2 实验过程54-55
  • 4.3 实验结果与表征55-58
  • 4.3.1 CZTS 吸收层的物相分析(XRD)55-56
  • 4.3.2 CZTS 吸收层的成分分析(拉曼散射及 EDS)56-57
  • 4.3.3 CZTS 吸收层的表面形貌分析(SEM)57-58
  • 4.3.4 CZTS 吸收层的光学特性分析58
  • 4.4 本章小结58-59
  • 第五章 原理型器件制备59-65
  • 5.1 引言59
  • 5.2 化学浴法制备 n 型 CdS 缓冲层59-61
  • 5.2.1 化学浴法制备 CdS 缓冲层的机理59-60
  • 5.2.2 化学浴法制备 CdS 缓冲层的实验方法60-61
  • 5.3 磁控溅射法制备 i‐ZnO 及 ZnO:Al 窗口层61-62
  • 5.4 热蒸发法制备银顶电极62-63
  • 5.5 原理型器件的测试63-65
  • 第六章 总结和展望65-67
  • 6.1 成果与结论65
  • 6.2 展望65-67
  • 参考文献67-73
  • 攻读硕士期间发表的学术论文及专利73-74


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