CuInS_2薄膜太陽(yáng)能電池的制備和表征

【摘要】：太陽(yáng)能作為清潔型新能源的主題，被贊譽(yù)為人類之父，具有非常廣闊的開發(fā)前景。在所有的光伏器件中，CuInS_2是直接帶隙半導(dǎo)體材料，吸光系數(shù)較大，適合作薄膜太陽(yáng)能電池的光吸收層。本文采用恒電位沉積法沉積CuInS_2薄膜，因?yàn)殡姵练e法的成本低，可在室溫下大面積沉積。 采用一步電沉積法在FTO玻璃基體上沉積p-CuInS_2薄膜；電解液為含有硫酸銅、硫酸銦、硫代硫酸鈉和檸檬酸鈉的硫酸鹽水溶液體系，將FTO玻璃作為陰極，并利用9因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)對(duì)電沉積CuInS_2薄膜工藝進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了最優(yōu)的電沉積CuInS_2薄膜工藝。 本文采用化學(xué)水浴法制備n-In2S3薄膜。In2S3屬于III-VI族化合物，適合作為太陽(yáng)能電池的n型緩沖層材料歸因于其具有極好的材料性質(zhì)如禁帶寬度為2.0-2.45eV，自身不具有毒性且不含有毒元素；并且In2S3本身的組成元素與CuInS_2薄膜相同，從而有利的降低了CuInS_2與In2S3二者之間的界面態(tài)，這樣不僅降低界面態(tài)及光生載流子的復(fù)合度，且有利于提高界面處的晶格匹配程度。同時(shí)，制作了太陽(yáng)能電池組件，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，獲得Voc、Isc等參數(shù)信息。 在以上實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別對(duì)CuInS_2薄膜和In2S3薄膜進(jìn)行表征分析，主要包括：采用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行表面形貌分析；采用X射線衍射(XRD)和X射線光電子光譜(XPS)對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)及成分進(jìn)行分析；采用線性掃描和吸收光譜測(cè)試對(duì)薄膜光電性能進(jìn)行分析；采用冷熱探針實(shí)驗(yàn)對(duì)薄膜半導(dǎo)體類型進(jìn)行分析。 另外，基于第一性原理的密度泛函理論，采用Materials Studio5.5軟件中的Reflex模塊確定實(shí)驗(yàn)中的黃銅礦相模型，并用CASTEP和DMol3模塊，在幾何優(yōu)化后選擇GGA計(jì)算交換-關(guān)聯(lián)能，模擬計(jì)算了CuInS_2的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，獲得其禁帶寬度為1.40eV，與實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)果接近。 【關(guān)鍵詞】：CuInS_2 In2S3 太陽(yáng)能電池 電沉積 模擬
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 太陽(yáng)能11
• 1.2 太陽(yáng)能電池11-12
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池參數(shù)11-12
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池的原理12
• 1.3 薄膜太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展及發(fā)展前景12-14
• 1.3.1 薄膜太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展12-14
• 1.3.2 CuInS_2薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展前景14
• 1.4 In_2S_3薄膜在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用及制備方法14-16
• 1.4.1 In_2S_3薄膜的基本性質(zhì)及應(yīng)用14-15
• 1.4.2 β-In_2S_3薄膜的制備方法15-16
• 1.5 本課題的研究目的及主要內(nèi)容16-18
• 1.5.1 本課題的研究目的16
• 1.5.2 本課題的主要內(nèi)容16-18
• 第2章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試方法18-24
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)18-19
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器18-19
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程19
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原理19-21
• 2.2.1 電沉積 CuInS_2機(jī)理19-20
• 2.2.2 化學(xué)浴沉積 In_2S_3薄膜機(jī)理20-21
• 2.3 測(cè)試方法21-23
• 2.3.1 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試21
• 2.3.2 原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試21
• 2.3.3 X 射線衍射(XRD)測(cè)試21
• 2.3.4 X 射線光電子光譜(XPS)測(cè)試21-22
• 2.3.5 光電性能測(cè)試22
• 2.3.6 紫外-可見(jiàn)光吸收光譜測(cè)試22
• 2.3.7 冷熱探針實(shí)驗(yàn)22-23
• 2.3.8 太陽(yáng)能電池性能測(cè)試23
• 2.4 本章小結(jié)23-24
• 第3章 電沉積 CuInS_2薄膜工藝優(yōu)化及性能測(cè)試24-37
• 3.1 正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化電沉積 CuInS_2薄膜24-27
• 3.1.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果24-25
• 3.1.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析25-27
• 3.1.3 熱處理溫度的影響27
• 3.2 CuInS_2薄膜性能分析27-33
• 3.2.1 薄膜光學(xué)性能的分析27-29
• 3.2.2 薄膜吸收光譜測(cè)試分析29-30
• 3.2.3 薄膜表面形貌分析30-31
• 3.2.4 薄膜 XRD 結(jié)果分析31-32
• 3.2.5 薄膜 XPS 結(jié)果分析32-33
• 3.2.6 薄膜半導(dǎo)體類型分析33
• 3.3 CuInS_2電沉積機(jī)理研究33-35
• 3.4 本章小結(jié)35-37
• 第4章 In_2S_3薄膜的制備及表征37-43
• 4.1 In_2S_3薄膜的制備37
• 4.2 In_2S_3薄膜的表征37-40
• 4.2.1 薄膜吸收光譜測(cè)試分析37
• 4.2.2 薄膜光學(xué)性能的分析37-38
• 4.2.3 In_2S_3薄膜 SEM 分析38-39
• 4.2.4 In_2S_3薄膜 AFM 分析39-40
• 4.2.5 In_2S_3薄膜 XRD 分析40
• 4.2.6 In_2S_3的 XPS 分析40
• 4.3 太陽(yáng)能電池測(cè)試40-42
• 4.4 本章小結(jié)42-43
• 第5章 計(jì)算方法及理論計(jì)算43-51
• 5.1 第一性原理43
• 5.2 密度泛函理論43-44
• 5.3 軟件介紹44-45
• 5.3.1 CASTEP 軟件包簡(jiǎn)介44
• 5.3.2 DMol3 軟件包介紹44-45
• 5.4 能帶理論45-46
• 5.4.1 發(fā)展歷程45-46
• 5.4.2 能帶理論介紹46
• 5.5 物理模型及計(jì)算方法46-48
• 5.5.1 建立模型46-47
• 5.5.2 計(jì)算方法47-48
• 5.6 計(jì)算結(jié)果與分析48-50
• 5.6.1 DMol3 模擬結(jié)果與分析48-49
• 5.6.2 CASTEP 模擬結(jié)果與分析49-50
• 5.7 本章小結(jié)50-51
• 結(jié)論51-53
• 參考文獻(xiàn)53-57
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文57-58
• 致謝58

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