CZTS太陽能電池的緩沖層和功能層材料的制備

【摘要】：本論文研究了銅鋅錫硫(CZTS)薄膜太陽能電池用功能層和緩沖層材料的制備。采用熱注入法制備了CZTS的納米粒子并制成墨水,通過涂布和旋轉(zhuǎn)涂覆法制備了CZTS納米晶薄膜,并在氮氣氣氛中于380℃對薄膜進行了退火處理,之后進行了硫化和硒化。通過XRD, SEM等測試表征手段做了研究,得到以下結(jié)論：從TEM、SEM和XRD可知,合成的納米粒子直徑7nm-15nm,具有高度的分散性。通過電子探針分析,Zn元素在合成中有一定的損失。從XRD和Raman光譜中,得出230℃是最佳的納米粒子合成溫度。退火可以提高結(jié)晶度,而硫化除了提高結(jié)晶度,也可以消除Cu4SnS4雜質(zhì)相。硒化可以很大程度促進納米粒子的結(jié)晶和雜質(zhì)向CZTS晶體的轉(zhuǎn)變。從SEM可以觀察到,涂布后退火的薄膜會產(chǎn)生裂紋,而旋轉(zhuǎn)涂覆法后烘干再退火的樣品會產(chǎn)生氣孔,旋轉(zhuǎn)涂覆法后空氣中干燥的薄膜質(zhì)量良好。 同時,本文還研究了通過化學水浴沉積法(CBD)制備的均勻硫化鎘(CdS)納米晶薄膜,并考察了合成溫度、合成時間和雙層工藝對薄膜的影響規(guī)律。通過AFM、SEM、XRD等測試系統(tǒng)地探討了薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、透過率和厚度特征。并從均相反應(yīng)和異相反應(yīng)的原理,解釋了CdS的成膜機理和其對薄膜質(zhì)量的影響。沉積溫度為80℃,沉積時間為10min時,薄膜的質(zhì)量最好。沉積溫度太低或者沉積時間不足,會使得薄膜的覆蓋性不高；而反應(yīng)時間太久的話,會有團簇的顆粒附著造成薄膜粗糙松散。同時,利用第二次短時間的沉積可以顯著增加膜厚度和結(jié)晶性并減少粗糙度。此控制薄膜厚度與表面均勻性的方法對于制備應(yīng)用廣泛的CdS薄膜具有重要的意義。 最后,本文采用化學水浴方法制備ZnS薄膜,考察了合成時間、檸檬酸鈉和摻雜工藝、結(jié)晶基底和退火對薄膜的影響規(guī)律。SEM、XRD、紫外可見光譜儀和臺階儀等測試系統(tǒng)地探討了薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、透過率和厚度特征。并解釋了ZnS的成膜機理和實驗現(xiàn)象。由于在50min之前,沉積反應(yīng)處于誘導期,反應(yīng)速度慢。而在大于70min以后,反應(yīng)處于成熟期,所以選擇60min作為沉積時間。檸檬酸鈉對ZnS薄膜的性質(zhì)影響不大,只能略微減少透過率,增加結(jié)晶度和表面平整度。硼酸的摻雜會產(chǎn)生自身的結(jié)晶,同時填補ZnS薄膜的空穴：而鋁離子可以在溶液中水解并受熱,并與胺形成配體,起到了緩釋作用,促進離子吸附。結(jié)晶基底可以小幅度促進ZnS薄膜的結(jié)晶,并使得大顆粒的沉積有一定的取向性。500℃下退火1h,可以使得ZnS薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)閆nO,并提升表面平整度。 【關(guān)鍵詞】：CZTS納米晶 CdS薄膜 ZnS薄膜 熱注入 化學水浴沉積
【學位授予單位】：廈門大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第一章 緒論15-38
• 1.1 引言15-16
• 1.2 太陽能電池基本理論16-19
• 1.2.1 PN結(jié)16-17
• 1.2.2 光生伏特效應(yīng)17
• 1.2.3 太陽幅射光譜17
• 1.2.4 太陽能電池的理論與實際差距17-19
• 1.2.5 光伏領(lǐng)域的重要概念19
• 1.3 太陽能電池19-23
• 1.3.1 單晶硅太陽能電池19-20
• 1.3.2 多晶硅太陽能電池20
• 1.3.3 薄膜太陽能電池20-22
• 1.3.4 新型太陽能電池22-23
• 1.4 CIGS/CZTS太陽能電池材料23-36
• 1.4.1 CdS薄膜24-27
• 1.4.2 ZnS薄膜27
• 1.4.3 InS或In_2S_3薄膜27-28
• 1.4.4 Mo膜28-29
• 1.4.5 ZnO薄膜29-30
• 1.4.6 CIGS薄膜30-33
• 1.4.7 CZTS薄膜33-35
• 1.4.8 基底材料35-36
• 1.4.9 減反射層材料36
• 1.5 本論文的研究目的及意義36-38
• 第二章 熱注入法制備CZTS納米材料38-53
• 2.1 引言38-39
• 2.2 實驗原理39
• 2.3 實驗設(shè)備39-40
• 2.4 實驗原料40
• 2.5 樣品的制備40-41
• 2.6 樣品的測試41-42
• 2.7 結(jié)果與討論42-51
• 2.7.1 CZTS粉末的形貌42-43
• 2.7.2 CZTS粉末的紅外光譜43
• 2.7.3 CZTS薄膜的EPMA分析43-44
• 2.7.4 CZTS粉末和薄膜的XRD譜44-48
• 2.7.5 CZTS薄膜的Raman光譜48-49
• 2.7.6 CZTS薄膜的SEM圖49-50
• 2.7.7 CZTS薄膜的紫外可見光譜50-51
• 2.8 本章小結(jié)51-53
• 第三章 化學水浴法制備CdS緩沖層53-66
• 3.1 引言53
• 3.2 實驗原理53-54
• 3.3 實驗設(shè)備54
• 3.4 實驗原料54-55
• 3.5 樣品的制備55-56
• 3.6 樣品的測試56
• 3.7 結(jié)果與討論56-64
• 3.7.1 沉積溫度對CdS薄膜的影響56-58
• 3.7.2 沉積時間對CdS薄膜的影響58-62
• 3.7.3 雙層工藝對CdS薄膜的影響62-64
• 3.8 本章小結(jié)64-66
• 第四章 化學水浴法制備ZnS緩沖層66-82
• 4.1 引言66
• 4.2 實驗原理66-67
• 4.3 實驗設(shè)備67
• 4.4 實驗原料67-68
• 4.5 樣品的制備68
• 4.6 樣品的測試68-69
• 4.7 結(jié)果與討論69-80
• 4.7.1 不同沉積時間對ZnS薄膜的影響69-72
• 4.7.2 檸檬酸鈉對ZnS薄膜的影響72-74
• 4.7.3 摻雜對ZnS薄膜的影響74-77
• 4.7.4 結(jié)晶基底對ZnS薄膜的影響77-78
• 4.7.5 退火對ZnS薄膜的影響78-80
• 4.8 本章小結(jié)80-82
• 第五章 結(jié)論與展望82-85
• 參考文獻85-93
• 致謝93

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