微納米化合物Cu-Zn-Sn-S光伏特性與新型薄膜太陽(yáng)能電池的研究

【摘要】：多結(jié)太陽(yáng)能電池具有一系列優(yōu)化的能帶組合,可對(duì)入射太陽(yáng)能光譜實(shí)現(xiàn)寬范圍、高效率的吸收,其理論最高轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于單結(jié)太陽(yáng)能電池。目前,GaInP/GaAs/Ge三結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已達(dá)41.6%,但所使用的材料價(jià)格高昂且資源非常有限,限制了大規(guī)模應(yīng)用。近年,尋找新型低成本可替代材料已成為了多結(jié)太陽(yáng)能電池研究的一項(xiàng)重要課題。 當(dāng)前,新材料的研究范圍主要集中在摻氮、摻鎵氮化銦以及量子點(diǎn)等,雖已取得了一些研究成果,但原材料價(jià)格仍然十分昂貴。本論文另辟蹊徑,在大量理論分析、技術(shù)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)摸索的基礎(chǔ)上,創(chuàng)造性地提出了資源豐富、廉價(jià)且毒性極低的Cu-Zn-Sn-S系化合物材料,成功研制了多種光伏性能優(yōu)異的新型化合物,具有重大潛在應(yīng)用價(jià)值,為多結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用提供了新的可能。此外,化合物光伏特性的研究及其在實(shí)際太陽(yáng)能電池上的應(yīng)用通常都以化合物薄膜的形式進(jìn)行,但當(dāng)前化合物薄膜的制備以真空法為主,存在效率低下、工藝復(fù)雜、造價(jià)高昂且不易實(shí)現(xiàn)大面積產(chǎn)品生產(chǎn)等缺點(diǎn)。本論文首次使用高效非真空機(jī)械化學(xué)法合成新型微納米化合物,采用非真空印刷法制備化合物薄膜,對(duì)其光伏特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。 在Cu-Zn-Sn-S系化合物中,Cu_2ZnSnS_4 (CZTS)的光伏特性已獲得了眾多研究人員的肯定,其能帶值約為1.5 eV,具有潛在非聚焦單結(jié)和三結(jié)太陽(yáng)能電池應(yīng)用價(jià)值。但現(xiàn)今制備CZTS化合物薄膜以真空法為主。論文首次采用非真空機(jī)械化學(xué)-印刷法合成并研究了微納米化合物CZTS的微結(jié)構(gòu)晶相、光學(xué)特性及薄膜形態(tài)等?？偨Y(jié)了所采用制備工藝的技術(shù)特點(diǎn)及規(guī)律,為大規(guī)模商業(yè)化太陽(yáng)能電池生產(chǎn)提供了參考借鑒。此外,為表征化合物光電轉(zhuǎn)換特性及降低太陽(yáng)能電池整體制備成本,首次提出了一種所有功能薄膜層均可采用非真空法制備的新型薄膜太陽(yáng)能電池,并獲得了實(shí)驗(yàn)的成功。 為解決非聚焦三、四結(jié)以及聚焦二結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池底部子電池材料的稀缺問題,論文合成并成功研制了能帶值為0.83 eV且光伏性能優(yōu)異的微納米化合物Cu_2SnS_3。此外,在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了一種新穎的通過人為創(chuàng)造掩埋p-n結(jié)的太陽(yáng)能電池短路電流密度增強(qiáng)方法。實(shí)驗(yàn)證實(shí)具有掩埋p-n結(jié)的太陽(yáng)能電池短路電流密度較參比電池增加了約1倍。增加的短路電流密度可更好地滿足多結(jié)太陽(yáng)能電池對(duì)電流匹配的要求,也進(jìn)一步證明了Cu_2SnS_3化合物的重要潛在應(yīng)用價(jià)值。 為滿足聚焦三結(jié)和四結(jié)太陽(yáng)能電池對(duì)窄帶化合物光伏材料的需求,論文又合成并成功研制了能帶值為0.55 eV且光伏性能優(yōu)異的富銅貧鋅微納米化合物Cu_4SnS_4。此外,對(duì)比研究了微納米化合物Cu_2ZnSnS_4、Cu_2SnS_3和Cu_4SnS_4的光伏特性。發(fā)現(xiàn)隨著富銅貧鋅程度(Cu/Sn、Zn/Sn)的增加:這些化合物的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化,退火溫度靈敏度變得越來(lái)越高;化合物的光學(xué)吸收邊帶逐漸變得模糊,能帶值逐漸變小;p-n結(jié)界面接觸特性得到改善,太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率從0.60%上升到1.92%以及2.59%。這些發(fā)現(xiàn)為研制更多Cu-Zn-Sn-S系新材料提供了參考和指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：多結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池 Cu-Zn-Sn-S系化合物 機(jī)械化學(xué)-印刷法 光伏特性
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目錄7-10
• 第一章 緒論10-28
• 1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電10-13
• 1.1.1 可再生能源10-11
• 1.1.2 太陽(yáng)能11-12
• 1.1.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電12-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池的工作原理13-14
• 1.3 太陽(yáng)能電池的分類14-20
• 1.3.1 硅基太陽(yáng)能電池16-17
• 1.3.2 有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池17-18
• 1.3.3 碲化鎘化合物薄膜電池18
• 1.3.4 銅銦鎵硒化合物薄膜太陽(yáng)能電池18-19
• 1.3.5 砷化鎵化合物薄膜太陽(yáng)能電池19
• 1.3.6 多結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池19-20
• 1.4 選題依據(jù)20-21
• 1.5 本論文研究的意義、創(chuàng)新點(diǎn)21-23
• 1.5.1 本論文研究的意義21-22
• 1.5.2 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)22-23
• 1.6 本論文的結(jié)構(gòu)23-24
• 1.7 參考文獻(xiàn)24-28
• 第二章 化合物薄膜常見制備方法、表征技術(shù)及多結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池能帶理論28-52
• 2.1 化合物薄膜的常見制備方法28-40
• 2.1.1 真空共蒸法28-29
• 2.1.2 濺射后硫化法29-31
• 2.1.3 噴涂熱分解法31-32
• 2.1.4 印刷法32-38
• 2.1.5 電化學(xué)沉積法38-39
• 2.1.6 常見制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)分析39-40
• 2.2 化合物薄膜的常見表征手段40-46
• 2.2.1 XRD 微結(jié)構(gòu)晶相分析40-41
• 2.2.2 UV 光學(xué)特性分析41-43
• 2.2.3 SEM 形態(tài)分析43
• 2.2.4 Rs 和Rsh 電學(xué)特性分析43-44
• 2.2.5 元素成分分析44-45
• 2.2.6 J-V 光電轉(zhuǎn)換特性分析45-46
• 2.3 多結(jié)化合物薄膜太陽(yáng)能電池能帶理論46-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 2.5 參考文獻(xiàn)49-52
• 第三章 微納米化合物CU_2ZNSNS_4光伏特性與新型薄膜太陽(yáng)能電池的研究52-78
• 3.1 背景概述52-53
• 3.2 材料和方法53-58
• 3.2.1 材料試劑53-54
• 3.2.2 微納米化合物CZTS 的合成及表征54-55
• 3.2.3 一種新型薄膜太陽(yáng)能電池55-57
• 3.2.4 自行設(shè)計(jì)的一種高效瞬間快速升溫退火方案57-58
• 3.3 結(jié)果與討論58-73
• 3.3.1 高效機(jī)械化學(xué)法合成微納米化合物CZTS 的研究58-61
• 3.3.2 印刷法制備微納米化合物CZTS 薄膜的形態(tài)分析61
• 3.3.3 退火參數(shù)對(duì)微納米化合物CZTS 微結(jié)構(gòu)晶相的影響61-63
• 3.3.4 退火參數(shù)對(duì)微納米化合物CZTS 光學(xué)特性的影響63-64
• 3.3.5 優(yōu)化條件退火時(shí)微納米化合物CZTS 薄膜形態(tài)的分析64-65
• 3.3.6 退火參數(shù)對(duì)微納米化合物CZTS 光電轉(zhuǎn)換特性的影響65-66
• 3.3.7 In_S_3 緩沖層厚度對(duì)微納米化合物CZTS 太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換特性的影響66-68
• 3.3.8 刮刀法制備CZTS 吸收層薄膜的研究：polymer 有機(jī)分散試劑對(duì)微納米化合物CZTS 光伏特性的影響68-73
• 3.4 本章小結(jié)73-74
• 3.5 參考文獻(xiàn)74-78
• 第四章 微納米化合物CU_25NS_3光伏特性的研究及一種新穎太陽(yáng)能電池短路電流密度增強(qiáng)方法78-90
• 4.1 背景概述78-79
• 4.2 材料和方法79-81
• 4.2.1 材料試劑79
• 4.2.2 微納米化合物CU_2SnS_3 的合成及表征79-81
• 4.3 結(jié)果與討論81-87
• 4.3.1 退火溫度對(duì)微納米化合物CU_2SnS_3 微結(jié)構(gòu)晶相的影響81-82
• 4.3.2 退火溫度對(duì)微納米化合物CU_2SnS_3 光學(xué)特性的影響82-83
• 4.3.3 退火溫度對(duì)微納米化合物CU_2SnS_3 光電轉(zhuǎn)換特性的影響83-85
• 4.3.4 一種新穎的太陽(yáng)能電池短路電流密度增強(qiáng)方法85-87
• 4.4 本章小結(jié)87-88
• 4.5 參考文獻(xiàn)88-90
• 第五章 微納米化合物CU_45NS_4光伏特性的研究及富銅貧鋅度對(duì)光伏特性的影響90-106
• 5.1 背景概述90-91
• 5.2 材料和方法91-92
• 5.2.1 材料試劑91
• 5.2.2 微納米化合物CU_2ZnSnS_4、CU_2SnS_3 和Cu_4SnS_4的合成91-92
• 5.3 結(jié)果與討論92-104
• 5.3.1 微納米化合物CU_2ZnSnS_4、CU_2SnS_3 和Cu_4SnS_4微結(jié)構(gòu)晶相的對(duì)92-93
• 5.3.2 富銅貧鋅微納米化合物Cu_4SnS_4(Cu/Sn=4 和Zn/Sn=0)光伏特性的研究93-99
• 5.3.3 Cu/Sn、Zn/Sn 比率對(duì)微納米化合物退火溫度靈敏度的影響99-102
• 5.3.4 Cu/Sn、Zn/Sn 比率對(duì)微納米化合物光學(xué)特性的影響102
• 5.3.5 Cu/Sn、Zn/Sn 比率對(duì)微納米化合物太陽(yáng)能電池p-n 結(jié)特性的影響102-103
• 5.3.6 Cu/Sn、Zn/Sn 比率對(duì)微納米化合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換特性的影響103-104
• 5.4 本章小結(jié)104
• 5.5 參考文獻(xiàn)104-106
• 第六章 總結(jié)與展望106-110
• 6.1 本論文工作的總結(jié)106-107
• 6.2 今后工作的展望107-110
• 致謝110-112
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或待發(fā)表的論文112-114

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