CIS/CIGS薄膜太陽能電池吸收層的納米顆粒印刷法研究

【摘要】：CIS/CIGS薄膜太陽能電池是近年來光伏研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。CIS/CIGS薄膜太陽能電池具有長期性能穩(wěn)定性好、弱光特性好、抗輻射能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率高、吸收層材料禁帶寬度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)它可在柔性基材上使用,從而被國際上稱為下一時(shí)代最有發(fā)展前景的廉價(jià)太陽能電池。CIS/CIGS吸收層是整個(gè)CIS/CIGS薄膜太陽能電池的核心,是太陽能轉(zhuǎn)化為電能的工廠。在整個(gè)CIS/CIGS電池的制備中,CIS/CIGS吸收層薄膜的制備是整個(gè)電池器件制備的基礎(chǔ),高效、長壽命的CIS/CIGS電池依賴于合格的CIS/CIGS吸收層。為獲得高質(zhì)量的吸收層薄膜,通常采用真空的方法制備。但真空技術(shù)設(shè)備投資大、薄膜沉積速率低、原材料昂貴且利用率低(約50%),增加了太陽能電池的制備成本,不利于大面積商業(yè)化生產(chǎn)。非真空制備法因具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資小、成本低、原材料利用率高,且可以大面積、連續(xù)、低溫沉積薄膜等特點(diǎn),近年來受到極大關(guān)注。其中,印刷法因具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、簡(jiǎn)單、低溫和可實(shí)現(xiàn)高速卷對(duì)卷生產(chǎn)等特點(diǎn)而備受青睞,是最有希望實(shí)現(xiàn)太陽能電池低成本制備的工藝之一。在印刷制備技術(shù)中,如何采用簡(jiǎn)單、高效的合成方法獲得近化學(xué)計(jì)量比且性能優(yōu)良的納米顆粒,如何設(shè)計(jì)高效的退火方案獲得高質(zhì)量吸收層薄膜等仍然是不小的挑戰(zhàn)。本文從CIS/CIGS薄膜太陽能電池的吸收層材料著手,采用簡(jiǎn)單、快速的一鍋合成方法成功合成了黃銅礦、近化學(xué)計(jì)量比CIS/CIGS納米顆粒。首先在不同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間下合成了CIS納米顆粒,通過XRD、SEM、EDS、TEM、Raman、分光光度計(jì)進(jìn)行表征,詳細(xì)研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成CIS納米顆粒晶相、形貌、元素組分以及吸收光譜的影響。對(duì)一鍋法合成CIS納米顆粒的形成機(jī)制也進(jìn)行了詳細(xì)的研究。用Ga原子替代CIS納米顆粒中部分或全部In原子,可以使合成的納米顆粒帶隙在1.0~1.7 eV之間連續(xù)可調(diào)。為此在不同反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間下合成了CIGS納米顆粒,研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成CIGS納米顆粒性質(zhì)的影響。在優(yōu)化的合成條件下,合成了具有不同Ga含量的CIGS納米顆粒,詳細(xì)研究了Ga摻雜量對(duì)合成CIGS納米顆粒性質(zhì)的影響。對(duì)一鍋法合成CIGS納米顆粒的形成機(jī)制也進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,所制備CIS/CIGS納米顆粒具有單相黃銅礦晶體結(jié)構(gòu),元素組分接近化學(xué)計(jì)量比,且顆粒具有很好的分散性。因此,采用簡(jiǎn)單、快速的一鍋合成方法所制備的CIS/CIGS納米顆粒是好的光吸收層材料。以合成的CIS/CIGS納米顆粒為原料,加入適量的無水乙醇、乙基纖維素和?-帖品醇制備成具有合適粘度的漿料,采用絲網(wǎng)印刷的方法制備了CIS/CIGS吸收層薄膜。實(shí)驗(yàn)改裝了一個(gè)快速硒化退火爐,將CIS/CIGS吸收層薄膜在硒氣氛下快速退火,詳細(xì)研究了退火溫度、退火時(shí)間對(duì)吸收層薄膜性能的影響。結(jié)果表明,CIS吸收層薄膜優(yōu)化的退火條件是(600 oC,15 min),CIGS吸收層薄膜優(yōu)化的退火條件是(600 oC,20 min)。為了評(píng)價(jià)所制備吸收層薄膜的光伏性能,制備了Glass/Mo/CIS(CIGS)/CdS/i-ZnO/AZO/Al結(jié)構(gòu)的CIS/CIGS薄膜太陽能電池,并對(duì)其光伏特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。 【關(guān)鍵詞】：銅銦硒/銅銦鎵硒 納米顆粒 絲網(wǎng)印刷 快速硒化退火 薄膜太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：上海理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4;TB383.1
【目錄】：

• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-36
• §1.1 太陽能電池概述13-18
• §1.1.1 太陽能電池的發(fā)展背景及發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• §1.1.2 太陽能電池的工作原理14-15
• §1.1.3 太陽能電池的分類及其特點(diǎn)15-18
• § 1.2 CIS/CIGS薄膜太陽能電池18-31
• §1.2.1 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的發(fā)展史18-19
• §1.2.2 CIS/CIGS的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)19-20
• §1.2.3 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的典型結(jié)構(gòu)及特性20-23
• §1.2.4 高質(zhì)量CIS/CIGS薄膜太陽能電池的特點(diǎn)23-24
• §1.2.5 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的制備方法24-29
• §1.2.6 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的研究現(xiàn)狀29-30
• §1.2.7 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)30-31
• § 1.3 選題依據(jù)31-32
• § 1.4 本論文研究的意義、創(chuàng)新點(diǎn)32-34
• §1.4.1 本論文研究的意義32-33
• §1.4.2 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)33-34
• § 1.5 本論文的結(jié)構(gòu)34-36
• 第二章 CIS/CIGS薄膜太陽能電池常見表征技術(shù)36-48
• § 2.1 XRD微結(jié)構(gòu)晶相分析36-37
• § 2.2 SEM形貌分析37-39
• § 2.3 TEM微結(jié)構(gòu)分析39
• § 2.4 EDS元素組分分析39-40
• § 2.5 XPS元素價(jià)態(tài)分析40-41
• § 2.6 Raman微結(jié)構(gòu)分析41-42
• § 2.7 UV光學(xué)特性分析42-43
• § 2.8 四探針電學(xué)性能分析43-44
• § 2.9 臺(tái)階儀薄膜厚度測(cè)試44-45
• § 2.10 J-V光電轉(zhuǎn)換特性分析45-47
• § 2.11本章小結(jié)47-48
• 第三章 CIS/CIGS納米顆粒的合成及形成機(jī)制研究48-80
• § 3.1 背景概述48-49
• § 3.2 CIS/CIGS納米顆粒的合成與表征49-50
• § 3.2.1 CIS/CIGS納米顆粒的合成49-50
• § 3.2.2 CIS/CIGS納米顆粒的表征50
• § 3.3 結(jié)果與討論50-78
• § 3.3.1 反應(yīng)溫度對(duì)合成CIS納米顆粒性質(zhì)的影響50-55
• § 3.3.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成CIS納米顆粒性質(zhì)的影響55-59
• § 3.3.3 CIS納米顆粒的形成機(jī)制研究59-63
• § 3.3.4 反應(yīng)溫度對(duì)合成CIGS納米顆粒性質(zhì)的影響63-68
• § 3.3.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成CIGS納米顆粒性質(zhì)的影響68-70
• § 3.3.6 Ga摻雜量對(duì)合成CIGS納米顆粒性質(zhì)的影響70-77
• § 3.3.7 CIGS納米顆粒的形成機(jī)制研究77-78
• § 3.4 本章小結(jié)78-80
• 第四章 CIS/CIGS薄膜太陽能電池吸收層的制備及退火性能研究80-94
• § 4.1 CIS/CIGS薄膜太陽能電池吸收層的制備80-81
• § 4.1.1 CIS/CIGS印刷漿的制備80-81
• § 4.1.2 CIS/CIGS吸收層薄膜的制備81
• § 4.2 CIS/CIGS薄膜太陽能電池吸收層的退火性能研究81-92
• § 4.2.1 快速硒化退火爐81-83
• § 4.2.2 退火溫度對(duì)CIS吸收層薄膜性能的影響83-86
• § 4.2.3 退火時(shí)間對(duì)CIS吸收層薄膜性能的影響86-88
• § 4.2.4 退火溫度對(duì)CIGS吸收層薄膜性能的影響88-90
• § 4.2.5 退火時(shí)間對(duì)CIGS吸收層薄膜性能的影響90-92
• § 4.3 本章小結(jié)92-94
• 第五章 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的制備94-104
• § 5.1 Mo背電極的制備94-97
• § 5.2 CdS緩沖層的制備97-99
• § 5.3 ZnO窗.層和Al電極的制備99-101
• § 5.4 CIS/CIGS薄膜太陽能電池的性能測(cè)試及分析101-102
• § 5.5 本章小結(jié)102-104
• 第六章 總結(jié)與展望104-106
• § 6.1 本論文工作的總結(jié)104-105
• § 6.2 今后工作的展望105-106
• 參考文獻(xiàn)106-115
• 在讀期間公開發(fā)表的論文、專利和承擔(dān)的科研項(xiàng)目115-117
• 致謝117

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