基于溶劑熱方法薄膜太陽(yáng)能電池吸收層材料銅銦硒的制備和生成機(jī)理的研究

【摘要】：I-III-VI2族三元化合物CuInSe2(CIS)作為一種極具發(fā)展前景的光吸收半導(dǎo)體材料,由于其對(duì)太陽(yáng)光的高吸收效率(α≈5×105 cm-1)、通過(guò)摻雜可調(diào)控帶寬(1.02~1.67 eV)、大于23%理論太陽(yáng)能電池效率以及良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在太陽(yáng)能電池、光電傳感器、發(fā)光二極管、光電存儲(chǔ)設(shè)備等領(lǐng)域。目前制備CIS的方法主要分為物理法和化學(xué)法兩大類,其中物理法包括蒸發(fā)濺射、分子束外延、液相外延和氣相沉積等,由于其對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求高,投資成本大而不利于大規(guī)模生產(chǎn)。相反,以溶劑熱為代表的化學(xué)法,不僅操作簡(jiǎn)單,設(shè)備成本低,有利于大規(guī)模制備,而且還能夠方便的調(diào)控合成反應(yīng)過(guò)程中不同元素的比例。但是該三元化合物的溶劑熱合成存在反應(yīng)效率低的問(wèn)題,反應(yīng)中間產(chǎn)物的多樣性導(dǎo)致反應(yīng)路徑復(fù)雜是引起該問(wèn)題的根本原因。因此本論文通過(guò)對(duì)溶劑熱合成CIS三元化合物過(guò)程進(jìn)行研究,運(yùn)用兩步反應(yīng)法,探究了反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中可能出現(xiàn)的反應(yīng)路徑以及不同路徑對(duì)反應(yīng)速率和產(chǎn)物的影響。主要研究成果總結(jié)如下:(1)首先運(yùn)用溶劑熱方法在200°С下分別進(jìn)行不同化學(xué)計(jì)量比的Cu-Se和In-Se二元化合物的合成反應(yīng)。通過(guò)對(duì)不同元素比例、不同反應(yīng)時(shí)間得到的兩類反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在貧硒還是富硒條件下,銅前驅(qū)體和硒在反應(yīng)4 h時(shí)都最終合成了穩(wěn)定的Cu2-xSe;而In在富硒的條件下反應(yīng)12 h合成復(fù)雜的In-Se二元化合物,并且易于在貧硒的情況下水解形成In(OH)3。更重要的是,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銅前驅(qū)體與硒的反應(yīng)要遠(yuǎn)快于銦前驅(qū)體與硒的反應(yīng)速率,銅前驅(qū)體和銦前驅(qū)體對(duì)硒的動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)很可能是導(dǎo)致合成CIS三元化合物時(shí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較低的原因。(2)運(yùn)用傳統(tǒng)溶劑熱方法,在乙二胺中同時(shí)加入銅源、銦源、硒源進(jìn)行合成反應(yīng),在200°С下不同反應(yīng)時(shí)間的結(jié)果表明,CIS三元化合物并不是由三種反應(yīng)物直接反應(yīng)生成,而是在反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)了銅源、銦源對(duì)硒源的爭(zhēng)奪,出現(xiàn)了一系列Cu-Se、In-Se二元化合物和In(OH)3等中間產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間所得反應(yīng)產(chǎn)物的分析可發(fā)現(xiàn),反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中存在兩種可能的反應(yīng)路徑:CuSe2+In(OH)3→CuInSe2和CuSe+In(OH)3+Se→CuInSe2。這兩種In(OH)3參與的反應(yīng)路徑不利于最終目標(biāo)產(chǎn)物的生成。(3)嘗試運(yùn)用兩步法合成CIS納米材料,首先由銦前驅(qū)體和硒進(jìn)行反應(yīng),然后再加入銅前驅(qū)體進(jìn)行最終合成。相比于直接合成的方法,兩步法得到的CIS具有單相的組成,反應(yīng)時(shí)間也由直接合成的16 h降低到了8 h,同時(shí),CIS尺寸和形貌也均有較大的改善,顆粒尺寸變小,分布更加均一,形貌上明顯減少了團(tuán)聚現(xiàn)象形成的大塊顆粒。由兩步法合成導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)效率的提高主要?dú)w因于有效調(diào)節(jié)了銅源和銦源對(duì)硒源的爭(zhēng)奪,從而促使化學(xué)反應(yīng)路徑趨向于有利于合成CIS材料的方向進(jìn)行。通過(guò)對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間得到的反應(yīng)產(chǎn)物的分析可發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中存在兩種可能的新反應(yīng)路徑如下:CuSe+1/2In2Se3-1/2Se→CuInSe2和CuSe+InSe→CuInSe2。(4)根據(jù)以上提及的反應(yīng)路徑分別選用相應(yīng)的反應(yīng)前驅(qū)體在相同的反應(yīng)條件下進(jìn)行CIS納米材料的合成,對(duì)不同反應(yīng)路徑進(jìn)行論證。(5)運(yùn)用晶格匹配的原理對(duì)不同反應(yīng)路徑當(dāng)中所涉及的化合物InSe、In2Se3、CuSe、CuSe2、Cu2-xSe、In(OH)3、CuInSe2進(jìn)行晶格分析,通過(guò)對(duì)前驅(qū)體之間的晶格參數(shù)對(duì)比分析說(shuō)明反應(yīng)路徑發(fā)生的可能性及反應(yīng)速率快慢。 【關(guān)鍵詞】：CuInSe2 反應(yīng)路徑 溶劑熱法 動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng) 晶格匹配
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O611.4

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