电化学沉积氧化亚铜半导体薄膜及其光伏应用

【摘要】：传统化石能源的过度开发和使用所带来的能源枯竭和环境污染是人类社会所面临的两大难题。开发利用清洁、可再生能源是必然趋势,太阳能发电(光伏)正是一种理想的清洁无污染的可再生能源形式。氧化亚铜(Cu2O)是一种禁带宽度为2.0 eV的p型直接禁带半导体,且无毒环保,理论效率约为20%,成本便宜,具有良好的光伏应用前景。与其他制备方法相比,电化学沉积具有低温、低成本,大规模生产前景,能在复杂形貌的衬底上沉积薄膜,和便于控制目标沉积薄膜的形貌、组成、以及掺杂等特点。本论文选择碱性乳酸铜溶液体系,在n型TiO2纳米棒阵列薄膜上电化学沉积了p型Cu2O薄膜,制备了FTO/TiO2/Cu2O/Au异质结太阳电池。应用扫描电子显微镜、X-射线衍射分析法、透射电镜、紫外-可见吸收光谱、电流密度-电压测试等手段对所制备的Cu2O/TiO2纳米棒径向异质结太阳电池的形貌特征、晶相结构和光伏效应等性能进行分析研究。主要研究内容如下： (1)利用水热法在FTO衬底上制备了TiO2纳米棒阵列,单根纳米棒为四方金红石相单晶,禁带宽度约为3.0 eV,纳米棒阵列的长度可通过水热反应的时间来控制。 (2)使用电化学沉积的方法在TiO2阵列上成功的制备了Cu20薄膜,形成良好的p-n结接触,并研究了电解液浓度、沉积电位、pH值和沉积时间对Cu2O薄膜的质量、形貌和厚度等的影响。电沉积过程中Cu2O薄膜是以岛状生长方式进行沉积的,且Cu2O薄膜形貌与衬底无关,测得的光学禁带宽度约为2.0 eV。 (3)成功地制备了FTO/TiO2/Cu2O/Au异质结太阳电池,并获得了Cu2O/TiO2体系有报道的最高光电转换效率1.25%。高转换效率的获得原因主要有以下方面：一维TiO2纳米棒阵列能直接充当快速的载流子传输通道,且扩大了p-n结面积,能更有效的在界面处分离载流子；单根TiO2纳米棒都是纯金红石相单晶,可以减少一部分载流子的复合损失；电池结构采用了TCO玻璃,可以减少前电极遮挡光造成的效率损失。 【关键词】：氧化亚铜半导体 电化学沉积 二氧化钛纳米棒阵列 光伏器件 太阳电池
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-13
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 论文的结构11-13
• 第二章 文献综述13-29
• 2.1 太阳电池简介13-19
• 2.1.1 太阳电池工作原理和性能指标13-16
• 2.1.2 太阳电池分类16
• 2.1.3 太阳电池发展历史16-19
• 2.2 Cu_2O薄膜的制备方法19-22
• 2.2.1 Cu_2O的物理性质及晶体结构19
• 2.2.2 Cu_2O薄膜的制备方法19-22
• 2.2.3 电化学沉积Cu_2O薄膜的原理22
• 2.3 Cu_2O薄膜电池的研究进展22-28
• 2.3.1 Cu_2O同质结电池23-25
• 2.3.2 Cu_2O肖特基结电池25
• 2.3.3 Cu_2O异质结电池25-26
• 2.3.4 基于Cu_2O薄膜的非平面p-n结电池26-27
• 2.3.5 Cu_2O薄膜太阳电池研究进展小结27-28
• 2.4 本论文的研究目的、意义和主要创新点28-29
• 第三章 实验设备与表征方法29-33
• 3.1 实验设备29-30
• 3.1.1 水热反应设备29
• 3.1.2 电化学沉积设备29-30
• 3.2 测试仪器和方法30-33
• 3.2.1 X射线衍射仪(XRD)30
• 3.2.2 扫描电子显微镜(SEM)30
• 3.2.3 透射电子显微镜(TEM)30-31
• 3.2.4 紫外-可见光吸收光谱(UV-Visible)31
• 3.2.5 太阳电池外量子效率测试31
• 3.2.6 太阳电池效率测试仪31-33
• 第四章 水热法制备n型TiO_2纳米棒阵列薄膜33-39
• 4.1 引言33
• 4.2 实验水热法制备TiO_2纳米棒33-34
• 4.3 结果与讨论34-37
• 4.3.1 TiO_2纳米棒阵列的表征34-36
• 4.3.2 水热反应时间对TiO_2纳米棒的影响36-37
• 4.4 本章小结37-39
• 第五章 电化学沉积p型Cu_2O薄膜39-53
• 5.1 引言39
• 5.2 实验39-40
• 5.3 结果与讨论40-51
• 5.3.1 沉积电位对Cu_2O薄膜的影响40-42
• 5.3.2 不同电解液浓度对Cu_2O薄膜的影响42-44
• 5.3.3 沉积电位对Cu_2O薄膜形貌的影响44-45
• 5.3.4 电解液pH值对Cu_2O薄膜形貌的影响45-47
• 5.3.5 沉积时间对Cu_2O薄膜的影响47-49
• 5.3.6不同衬底对Cu_2O薄膜的影响49-51
• 5.3.7 电沉积Cu_2O薄膜的紫外-可见吸收图谱51
• 5.4 本章小结51-53
• 第六章 基于Cu_2O薄膜电池的制备与表征53-65
• 6.1 引言53
• 6.2 基于Cu_2O薄膜电池的制备53-54
• 6.3 基于Cu_2O薄膜电池的表征54-63
• 6.3.1 电解液浓度对Cu_2O薄膜光电性能的影响54-55
• 6.3.2 沉积时间对电池能量转换效率的影响55-59
• 6.3.3 沉积时间对Cu_2O/TiO_2电池量子效率的影响59
• 6.3.4 不同电极对电池效率的影响59-62
• 6.3.5 预置TiO_2溅射种子层对电池性能的影响62-63
• 6.4 本章小结63-65
• 第七章 全文结论65-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-75
• 个人简历75-77
• 攻读学位期间发表的学术论文77

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