Cu_2ZnSnS_4薄膜太陽(yáng)能電池的制備和研究

【摘要】：由于具有與太陽(yáng)光譜十分匹配的禁帶寬度(約為1.5eV)和較高的可見(jiàn)光吸收系數(shù)(可見(jiàn)光區(qū)域超過(guò)104cm-1),鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的四元化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)成為一類(lèi)非常具有發(fā)展前途的太陽(yáng)能吸收材料。作為一種直接帶隙的p型半導(dǎo)體材料,CZTS所含的Zn和Sn是大自然蘊(yùn)藏較豐富元素,在地殼中的蘊(yùn)含量分別達(dá)到75ppm和2.2ppm。與同類(lèi)型的太陽(yáng)能吸收材料CIGS和CuInS2相比,CZTS不含毒性成分、對(duì)環(huán)境友好且制備方法簡(jiǎn)單,它采用資源豐富的Zn、Sn來(lái)替代稀有元素In、Ga,作為吸光材料,在大規(guī)模生產(chǎn)與商業(yè)化應(yīng)用中具有極好的產(chǎn)業(yè)化前景。 CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的主要作用部分是p-n結(jié),由p型半導(dǎo)體CZTS薄膜與n型半導(dǎo)體ZnO構(gòu)成,然而CZTS與ZnO的晶格匹配不佳,如果直接接觸形成p-n結(jié)會(huì)影響太陽(yáng)能電池的輸出效率,所以需要在吸收層和窗口層之間引入緩沖層CdS薄膜,它在低帶隙的CZTS層與高帶隙的ZnO層直接形成過(guò)渡層,減小了兩者之間的帶隙臺(tái)階和品格失配問(wèn)題。此外,CZTS是多元化合物,常會(huì)因?yàn)樵优浔群途Ц袷湓斐山Y(jié)構(gòu)上的缺陷,影響了該類(lèi)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的效率目前低于同類(lèi)型的CuInS2和CIGS電池。 本論文主要研究了Cu2ZnSnS4薄膜太陽(yáng)能電池的背電極Mo、吸收層CZTS薄膜以及緩沖層CdS薄膜的制備工藝。首先使用直流濺射的方法在玻璃襯底上沉積了背電極Mo；然后采用溶膠凝膠的方法制備了CZTS納米晶,旋涂成膜后在N2的保護(hù)下進(jìn)行硫化熱處理；再采用一種新的電化學(xué)沉積方法在堿性條件下制備了CdS緩沖層薄膜。最后通過(guò)磁控濺射制備了窗口層ZnO/AZO薄膜,并熱蒸鍍了頂電極Al。實(shí)驗(yàn)中我們用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、EDS能譜儀和紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)等儀器對(duì)所制備的電極和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面和截面形貌、元素質(zhì)量比以及光學(xué)特性進(jìn)行了表征和測(cè)試。得到了以下的研究結(jié)果： (1)采用磁控濺射法制備的雙層Mo電極,第一層與襯底附著力好,第二層結(jié)晶性良好并且呈柵欄狀緊密并排。 (2)通過(guò)sol-gel旋涂制備的CZTS薄膜,控制前驅(qū)物中Cu/(Zn+Sn)之比0.8,經(jīng)過(guò)300℃烘烤成膜并高溫退火處理后,其表面連續(xù)平整、結(jié)構(gòu)均勻致密,厚度控制在1-2μm;通過(guò)XRD圖譜我們發(fā)現(xiàn)CZTS薄膜呈(112)面擇優(yōu)取向生長(zhǎng),經(jīng)過(guò)1個(gè)小時(shí)500℃高溫退火后,其XRD圖譜中可觀察到鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS的特征衍射峰；通過(guò)光吸收發(fā)現(xiàn)CZTS薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域有超過(guò)104cm-1的光吸收系數(shù),其禁帶寬度為1.5eV,證實(shí)我們制備的CZTS薄膜具有優(yōu)良的太陽(yáng)能吸收性能。實(shí)驗(yàn)中探究了不同的合成溫度以及不同的前驅(qū)物Cu/(Zn+Sn)比例對(duì)CZTS薄膜物相、形貌和光學(xué)特性的影響。 (3)采用CdSO4、Na2S2O3,配以NTA調(diào)節(jié)溶液pH值,首次在堿性環(huán)境中電沉積制備CdS薄膜,并將該方法應(yīng)用到CZTS薄膜太陽(yáng)能電池中制備緩沖層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在pH值為9.36、Cd2+濃度為0.025mol/L、沉積電位為-1.7V時(shí),可以制備出表面均勻致密、近化學(xué)計(jì)量原子比、禁帶寬度為2.4eV的CdS薄膜。將其沉積在CZTS薄膜上,測(cè)得CZTS/CdS的I-V曲線呈整流效應(yīng),說(shuō)明該方法制備的CdS可應(yīng)用于CZTS薄膜太陽(yáng)能電池。 (4)采用上述研究的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合傳統(tǒng)工藝制備了CZTS薄膜太陽(yáng)能電池器件,測(cè)試得到電池的效率為0.12%,分析CZTS薄膜太陽(yáng)能電池器件性能的損失機(jī)制可知,電池的各層薄膜之間的界面接觸出現(xiàn)了問(wèn)題,需要進(jìn)行改善。 【關(guān)鍵詞】：溶膠凝膠法 電化學(xué)沉積 磁控濺射 Cu_2ZnSnS_4薄膜 CdS薄膜 Mo電極
【學(xué)位授予單位】：湖北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池的原理13-15
• 1.2.1 p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體以及pn結(jié)13-14
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池的工作原理14-15
• 1.3 薄膜太陽(yáng)能電池15-18
• 1.3.1 基本結(jié)構(gòu)16-17
• 1.3.2 吸收層材料17-18
• 1.4 Cu_2ZnSnS_4薄膜18-22
• 1.4.1 Cu_2ZnSnS_4薄膜的特性18-20
• 1.4.2 Cu_2ZnSnS_4薄膜的制備方法20-22
• 1.5 本課題研究思路22-24
• 1.5.1 論文的研究?jī)?nèi)容22
• 1.5.2 本論文的研究方法22-23
• 1.5.3 論文的研究目的及意義23-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法24-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)方案24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備24-29
• 2.2.1 樣品制備所用設(shè)備24-26
• 2.2.2 樣品表征所用設(shè)備26-29
• 第三章 背電極Mo的制備29-34
• 3.1 實(shí)驗(yàn)部分29-30
• 3.2 結(jié)果與分析30-32
• 3.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)32-34
• 第四章 吸收層Cu_2ZnSnS_4薄膜的制備34-50
• 4.1 實(shí)驗(yàn)部分34-36
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)原理34-35
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟35-36
• 4.2 合成溫度的影響36-40
• 4.2.1 合成溫度對(duì)薄膜形貌的影響37-38
• 4.2.2 合成溫度對(duì)薄膜物相的影響38
• 4.2.3 合成溫度對(duì)元素成分的影響38-40
• 4.3 金屬元素成分比例的影響40-44
• 4.3.1 金屬元素成分對(duì)薄膜形貌和物相的影響41-43
• 4.3.2 金屬元素成分對(duì)薄膜光吸收的影響43-44
• 4.4 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法44-45
• 4.5 結(jié)果和分析45-48
• 4.5.1 XRD表征45-46
• 4.5.2 SEM表征46-47
• 4.5.3 紫外-可見(jiàn)吸收光譜表征47-48
• 4.6 實(shí)驗(yàn)小結(jié)48-50
• 第五章 緩沖層CdS的制備50-59
• 5.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容50-51
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析51-56
• 5.2.1 pH值對(duì)CdS薄膜中Cd/S原子比的影響51-52
• 5.2.2 溶液濃度值對(duì)CdS薄膜的影響52-55
• 5.2.3 沉積電位對(duì)CdS薄膜的影響55-56
• 5.3 CZTS薄膜上電沉積CdS56-57
• 5.4 實(shí)驗(yàn)小結(jié)57-59
• 第六章 CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的研究59-65
• 6.1 CZTS薄膜太陽(yáng)能電池器件的組裝59-61
• 6.2 CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的研究61-64
• 6.2.1 太陽(yáng)能電池等效電路以及關(guān)鍵參數(shù)61-63
• 6.2.2 所制備的CZTS薄膜太陽(yáng)能電池的性能研究63-64
• 6.2.3 對(duì)所制備的CZTS電池性能損失的分析64
• 6.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)64-65
• 結(jié)論和展望65-68
• 參考文獻(xiàn)68-74
• 附錄74-75
• 致謝75-76

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

薄膜太陽(yáng)能電池 未來(lái)成長(zhǎng)仍看好    章從福;

全球薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)能持續(xù)大幅增長(zhǎng)    

我國(guó)薄膜太陽(yáng)能電池標(biāo)準(zhǔn)組織在佛山成立    譚強(qiáng);

我國(guó)生產(chǎn)高端薄膜太陽(yáng)能電池有了“利器”    

鋁粒子可提高薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率    

薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率獲得提高    

美研制出增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)能電池吸光技術(shù)    

美研制出增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)能電池吸光技術(shù)    

美研制出增強(qiáng)薄膜太陽(yáng)能電池吸光技術(shù)    

太陽(yáng)能:“薄膜”的正反兩面    閆巖;

薄膜太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展(英文)    梁駿吾;

薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀和展望    徐軼;朱德貴;

真空技術(shù)在銅基化合物薄膜太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝中的運(yùn)用    張軍;邵樂(lè)喜;

氧化銀薄膜的室溫固相合成及其在體相異質(zhì)結(jié)薄膜太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用    魏杰;雷巖;翟學(xué)珍;鄭直;

In摻雜ZnO薄膜的電沉積制備及電流密度對(duì)薄膜光電性能的影響    鄭軍;潘勇;歐銅鋼;譚艷芳;范清喜;

基于碳納米管的薄膜太陽(yáng)能電池及多孔吸附材料    曹安源;

薄膜太陽(yáng)能電池陶瓷襯底沉積工藝及性能的研究    黃勇;萬(wàn)之堅(jiān);李海峰;

無(wú)機(jī)合成法制備TiO_2納米線陣列/CIS薄膜太陽(yáng)能電池    范俊奇;武四新;

無(wú)機(jī)合成法制備TiO_2納米線陣列/CIS薄膜太陽(yáng)能電池    范俊奇;武四新;

磁控濺射法制備Cu(In,Al)Se_2薄膜性能的研究    周麗梅;薛鈺芝;李劍鋒;

本田決定批量生產(chǎn)新一代薄膜太陽(yáng)能電池    洪研

薄膜太陽(yáng)能電池 超薄 廉價(jià) 高效    

夏普建全球最大薄膜太陽(yáng)能電池廠    黃女瑛 DigiTimes

薄膜太陽(yáng)能電池明年量產(chǎn)    本報(bào)記者　張亮

薄膜太陽(yáng)能電池面臨機(jī)遇 中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展    于化叢

成本優(yōu)勢(shì)凸顯 薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)提速    于化叢

許津榮會(huì)見(jiàn)臺(tái)港客商    王林輝　余寬平

迅速崛起的薄膜太陽(yáng)能電池    劉林森

新薄膜太陽(yáng)能電池將提高轉(zhuǎn)化效率15%    聶翠蓉

投資薄膜太陽(yáng)能電池需理性決策    世源科技工程有限公司總工藝師 李強(qiáng)

銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池材料的制備與若干理論計(jì)算研究    蔣方丹

銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)材料研究    萬(wàn)磊

銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池的研究    童君

溶膠—凝膠法制備銅鋅錫硫（Cu_2ZnSnS_4）薄膜太陽(yáng)能電池    蘇正華

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    陳勤妙

Cu_2ZnSnSe_4薄膜太陽(yáng)能電池的制備及其p-n結(jié)能帶偏移的研究    李紀(jì)

銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池關(guān)鍵材料與原理型器件制備與研究    羅派峰

無(wú)機(jī)納米晶基薄膜太陽(yáng)能電池材料的電化學(xué)制備、機(jī)理及異質(zhì)結(jié)組裝研究    徐新花

Cu_2ZnSnS_4納米顆?？煽刂苽浼捌浔∧ぬ?yáng)能電池器件的研究    魏銘

柔性基底薄膜太陽(yáng)能電池研究與試制    馮煜東

銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池研究    孟明明

新型三元銅基化合物薄膜太陽(yáng)能電池的研究    韓珺

薄膜太陽(yáng)能電池電極材料及陷光結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與研究    徐娟

薄膜太陽(yáng)能電池的遺傳算法優(yōu)化    王全志

有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池物理性質(zhì)的研究    王平

銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)材料的研究    韓磊

碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)材料的制備與表征    侯澤榮

銅銦硒薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)材料研究    陳立

薄膜太陽(yáng)能電池的二元光柵結(jié)構(gòu)    陳秀麗

Ⅰ-Ⅵ族納米晶薄膜材料的室溫原位合成及在雜化薄膜太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用    雷巖