太陽能電池銅鋅錫硫吸收層非真空法制備技術研究

【摘要】：銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)為鋅黃錫礦(kesterite)結構的四元化合物,屬于I2-II-IV-VI4型半導體材料。CZTS是一種P型直接帶隙半導體材料,具有高的吸收效率(達104cm-1),其禁帶寬度(1.5eV)與太陽光具有良好的匹配性,非常適用于做太陽能電池的吸收層。CZTS的組成元素儲量豐富且無環(huán)境危害。因此,CZTS是太陽能電池吸收層最佳候選材料的優(yōu)先選擇。關于CZTS合成方法,真空法的制備研究較多,但昂貴的設備和復雜的工藝都影響著制作成本,而且各元素的蒸發(fā)率、濺射率等都有差異,使得工藝重復性差。因此,對于非真空法制備CZTS的方法越來越得到關注。若能通過非真空法簡單高效,成本低廉地大規(guī)模生產CZTS薄膜,這無疑對將來CZTS太陽能產業(yè)化、規(guī)?；瘧镁哂兄匾獌r值。這也是本文研究的方向——如何能夠簡潔高效地使用非真空法制備CZTS薄膜。本文對高能震動球磨、絲網(wǎng)印刷、電泳和靜電紡絲方法制備CZTS工藝技術進行了系統(tǒng)的實驗研究。(1)高能震動球磨是利用機械合金化(Mechanical Alloying,MA)的機理將多組分單質直接合金化合成具有一定相結構的新物質。本文采用高能震動球磨法,直接將Cu、Zn、Sn、S粉體轉變成具有具有鋅黃錫礦結構的CZTS超細粉體。為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷工藝、電泳工藝實施提供了物質基礎。(2)絲網(wǎng)印刷制備CZTS薄膜簡單可靠,受影響參數(shù)較少。由通透部分將所要制備的材料的漿料印刷到基底上,經過反復印刷得到一定的厚度的膜。通過退火除去漿料中不需要的有機成分,同時使得薄膜材料更好地結晶生長。不同的退后溫度,得到的薄膜特性也不同。通過漿料摻銻(Sb)可改變薄膜的表征特性。(3)電泳制備薄膜表面晶粒密集性較高,成膜速度很快,但對影響參數(shù)較為敏感,經過反復探究發(fā)現(xiàn)電壓在18V時能穩(wěn)定制備出附著力較好,表面晶粒密集的薄膜。進行表征檢測發(fā)現(xiàn)其表面呈現(xiàn)蜂窩狀,片狀晶粒排布緊密,禁帶寬度為1.5eV,相結構能夠看到有多個對應于CZTS鋅黃錫礦結構的峰。(4)靜電紡絲通過紡絲出無數(shù)細小纖維無序排布在基底表面形成一層薄膜。紡絲直徑為一百納米左右,生成雜相少,元素比例較為準確。但紡絲影響因素較多,對于環(huán)境要求明顯高于絲網(wǎng)印刷和電泳,操作的影響因素也較多?？傊?本文系統(tǒng)研究了高能球磨、絲網(wǎng)印刷、電泳等非真空法制備CZTS薄膜技術,并成功獲得CZTS薄膜材料,為非真空法制備CZTS提供了可行技術路線。 【關鍵詞】：銅鋅錫硫 高能震動球磨 絲網(wǎng)印刷 電泳 靜電紡絲
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 太陽能電池的概述11-13
• 1.1.1 太陽能電池的研究背景及意義11-12
• 1.1.2 太陽能電池的基本原理12
• 1.1.3 太陽能電池的發(fā)展與分類12-13
• 1.2 CZTS薄膜太陽能電池13-19
• 1.2.1 CZTS簡述13-14
• 1.2.2 CZTS結構與特性14-15
• 1.2.3 CZTS薄膜電池結構介紹15-17
• 1.2.4 CZTS薄膜的研究與制備17-19
• 1.3 本文的研究意義與研究方向19-21
• 第二章 實驗設計方案與表征分析方法21-27
• 2.1 實驗方法的設計21-22
• 2.1.1 高能震動球磨制備CZTS粉體21
• 2.1.2 絲網(wǎng)印刷制備CZTS薄膜21
• 2.1.3 電泳制備CZTS薄膜21
• 2.1.4 靜電紡絲制備CZTS21-22
• 2.2 實驗準備工作22-23
• 2.2.1 實驗藥劑22-23
• 2.2.2 實驗設備23
• 2.3 分析表征23-27
• 2.3.1 X射線衍射（XRD）23-24
• 2.3.2 拉曼散射（Raman）24-25
• 2.3.3 掃描電子顯微鏡（SEM）25
• 2.3.4 能量色散X射線譜（EDS）25-26
• 2.3.5 紫外可見-近紅外（UV-Vis-NI）光譜26-27
• 第三章 球磨制備CZTS納米粉體與表征分析27-36
• 3.1 實驗條件27-29
• 3.1.1 球磨罐與磨球的選擇27-28
• 3.1.2 表面活性劑與過程控制劑的選擇28
• 3.1.3 球磨機的規(guī)格28-29
• 3.2 實驗步驟29-31
• 3.3 分析表征31-34
• 3.4 本章小結34-36
• 第四章 絲網(wǎng)印刷制備CZTS薄膜與表征分析36-51
• 4.1 實驗條件36-38
• 4.1.1 網(wǎng)板參數(shù)36-37
• 4.1.2 絲網(wǎng)印刷機規(guī)格37-38
• 4.2 實驗步驟38-40
• 4.2.1 漿料制備39
• 4.2.2 清洗準備工作39
• 4.2.3 絲網(wǎng)印刷制備薄膜39-40
• 4.2.4 設計退火40
• 4.3 分析表征40-49
• 4.4 本章小結49-51
• 第五章 電泳制備CZTS薄膜與表征分析51-63
• 5.1 實驗條件54-56
• 5.1.1 自制電泳電極和支架54-56
• 5.1.2 電源56
• 5.2 實驗步驟56-60
• 5.2.1 影響參數(shù)56-58
• 5.2.2 前驅體和電泳液配置58
• 5.2.3 清洗準備工作58
• 5.2.4 電泳過程58-59
• 5.2.5 設計退火59-60
• 5.3 分析表征60-62
• 5.4 本章小結62-63
• 第六章 靜電紡絲制備CZTS薄膜與表征分析63-72
• 6.1 實驗條件64-66
• 6.1.1 靜電紡絲機64-66
• 6.1.2 高壓電源66
• 6.2 實驗步驟66-69
• 6.2.1 影響參數(shù)66-67
• 6.2.2 前驅液體配置67-68
• 6.2.3 清洗準備工作68
• 6.2.4 靜電紡絲68
• 6.2.5 設計退火68-69
• 6.3 分析表征69-71
• 6.4 本章小結71-72
• 第七章 結論72-74
• 7.1 工作總結72-73
• 7.2 今后研究工作的展望73-74
• 致謝74-75
• 參考文獻75-80
• 攻讀碩士期間取得的研究生成果80-81

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