銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池研究

【摘要】：Cu_2ZnSnSe_4半導(dǎo)體材料作為一種新型的薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層，因其是一種直接帶隙寬度為1.0eV、光吸收系數(shù)大于104cm-1和具有優(yōu)良的光電效應(yīng)的P型材料而被廣泛的研究。近幾年來(lái)Cu_2ZnSnSe_4薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展迅速，目前已達(dá)到10.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，為了減少銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池的生成成本，需要開發(fā)一種非真空的薄膜制備方法。電化學(xué)沉積法、化學(xué)浴法和溶膠凝膠法都是一種基于溶液體系的非真空制備方法，因其具有成本低廉、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單、成分可控和可大面積沉積等優(yōu)點(diǎn)而有良好的應(yīng)用前景。然而在襯底上一步電化學(xué)沉積和溶膠凝膠多種元素制備預(yù)制膜的時(shí)候還存在很多問(wèn)題，因此必須調(diào)節(jié)電解液中的溶液配比和pH以使預(yù)制膜中的成分符合化學(xué)計(jì)量比。太陽(yáng)能電池由背接觸層、吸收層、緩沖層、窗口層和Ni/Al電極組成，本文以Cu_2ZnSnSe_4半導(dǎo)體材料作為太陽(yáng)能電池的吸收層制備銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池。為此本論文的主要研究工作如下： （1）采用直流磁控濺射法制備電池的背接觸層Mo層，在9.0×10-4Pa的真空環(huán)境下通入氬氣至1.1Pa，功率30W濺射9分鐘；接著調(diào)節(jié)氣壓為0.5Pa，功率90W濺射8分鐘制備的雙層Mo結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)、附著力和導(dǎo)電性能優(yōu)良。 （2）研究一步電沉積Cu-Zn-Sn-Se預(yù)制膜再硒化制備Cu_2ZnSnSe_4薄膜材料的方法。通過(guò)配制了7種不同濃度和pH值的電解液來(lái)沉積Cu_2ZnSnSe_4，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解液中Cu：Zn：Sn：Se=3:70:20:3，pH為1.6時(shí)沉積的預(yù)制膜經(jīng)過(guò)550度硒氣氛下硒化得到符合化學(xué)計(jì)量比、無(wú)雜相的鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的Cu_2ZnSnSe_4薄膜。研究了不同配比制備的樣品中的雜相，從而初步確定Cu_2ZnSnSe_4薄膜的生長(zhǎng)的機(jī)理。 （3）研究了溶膠凝膠制備Cu-Zn-Sn預(yù)制膜的技術(shù)，優(yōu)化前驅(qū)液的配比，在17mL乙二醇甲醚和3mL乙醇胺混合溶液中加入8mmol乙酸鋅、18mmol乙酸銅和10mmol二氯化錫配制成前驅(qū)液，制備的預(yù)制膜在550度硒化后制備出純凈的Cu_2ZnSnSe_4薄膜。通過(guò)在不同的襯底上沉積制備Cu_2ZnSnSe_4，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)制膜硒化后在Cu_2ZnSnSe_4和Mo的界面上并沒(méi)有產(chǎn)生雜相MoSe2。 （4）研究了化學(xué)水浴法制備CdS薄膜的結(jié)晶機(jī)制。發(fā)現(xiàn)使用醋酸體系沉積的CdS薄膜表面致密。研究射頻磁控濺射本征ZnO薄膜、直流磁控濺射AZO薄膜和蒸鍍Ni/Al電極工藝。組裝了溶膠凝膠法制備的吸收層CZTSe的SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO/Ni/Al薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率為0.296%。 【關(guān)鍵詞】：Cu_2ZnSnSe_4 太陽(yáng)能電池 電化學(xué)沉積 溶膠凝膠法 磁控濺射
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 致謝9-15
• 第一章 緒論15-24
• 1.1. 引言15-16
• 1.2. 太陽(yáng)能電池發(fā)展史16-17
• 1.3. 太陽(yáng)能電池種類17-18
• 1.4. 太陽(yáng)能電池工作原理18-20
• 1.4.1. 光生伏特效應(yīng)18-19
• 1.4.2. 太陽(yáng)能電池的 I-V 曲線19-20
• 1.5. 銅鋅錫硫硒（CZTSSe）薄膜太陽(yáng)能電池20-23
• 1.5.1. 銅鋅錫硫硒薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展20-22
• 1.5.2. 銅鋅錫硒太陽(yáng)能電池器件的結(jié)構(gòu)22-23
• 1.6. 本論文的研究工作23-24
• 第二章 背電極 Mo 和緩沖層 CdS 的制備24-31
• 2.1. 襯底的選擇和清洗24-25
• 2.2. 背電極的選擇和制備25-28
• 2.2.1. 背電極的選擇25
• 2.2.2. Mo 層的制備25-26
• 2.2.3. Mo 層的表征26-28
• 2.3. CdS 制備工藝28-30
• 2.3.1. 化學(xué)浴制備 CdS 的反應(yīng)機(jī)理28-29
• 2.3.2. 化學(xué)浴制備 CdS 的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析29-30
• 2.4. 本章小結(jié)30-31
• 第三章 銅鋅錫硒吸收層制備和表征31-53
• 3.1. 電化學(xué)沉積法制備銅鋅錫硒及結(jié)果分析31-42
• 3.1.1. 引言31
• 3.1.2. 一步電化學(xué)沉積 Cu_2ZnSnSe_4預(yù)制膜31-34
• 3.1.3. 銅鋅錫硒預(yù)制膜硒化處理34-35
• 3.1.4. 電沉積銅鋅錫硒表征分析35-40
• 3.1.5. 銅鋅錫硒的生成機(jī)理研究40-42
• 3.2. 溶膠凝膠法制備銅鋅錫硒薄膜42-52
• 3.2.1. 引言42
• 3.2.2. 溶膠凝膠法制備銅鋅錫硒薄膜42-43
• 3.2.3. 溶膠凝膠制備的銅鋅錫硒結(jié)果分析43-46
• 3.2.4. 不同硒化溫度對(duì)溶膠凝膠制備 Cu_2ZnSnSe_4的影響46-52
• 3.3. 本章小結(jié)52-53
• 第四章 銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池器件53-57
• 4.1. 窗口層本征氧化鋅和摻鋁氧化鋅制備53
• 4.2. 鎳鋁電極53-55
• 4.3. 銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池的制備55-56
• 4.4. 本章小結(jié)56-57
• 第五章 全文總結(jié)和展望57-59
• 5.1. 全文總結(jié)57
• 5.2. 展望57-59
• 參考文獻(xiàn)59-65
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和成果65-67

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