黃銅礦太陽(yáng)能電池薄膜材料的電沉積制備與性能研究

【摘要】：在當(dāng)前全球能源短缺的背景下，以太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)為代表的新能源產(chǎn)業(yè)和以納米技術(shù)為代表的新材料產(chǎn)業(yè)，憑借節(jié)能環(huán)保的先天優(yōu)勢(shì)，已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。作為在二代太陽(yáng)能電池及三代太陽(yáng)能電池材料和半導(dǎo)體納米材料研究中脫穎而出的黃銅礦型系列薄膜材料，躋身為現(xiàn)今能源領(lǐng)域的研究發(fā)展熱門(mén)之一。銅銦鎵硫四元化合物，作為黃銅礦型系列半導(dǎo)體材料中的一員，因自身優(yōu)異的性能備受關(guān)注；而圍繞該材料性能的進(jìn)一步改進(jìn)也是廣大研究工作者的攻關(guān)之一，其中尤以元素?fù)诫s改善材料性能的方式。本論文針對(duì)目前銅銦鎵硫四元化合物薄膜材料的制備及引入鈦元素?fù)诫s銅鎵硫材料的研究進(jìn)展展開(kāi)探索，旨在發(fā)掘大面積、高質(zhì)量、新工藝的制備生產(chǎn)路線，為新型薄膜材料及太陽(yáng)能電池器件的開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本論文的主要研究和取得的創(chuàng)新性成果如下： 1.采用電化學(xué)沉積法結(jié)合后期退火熱處理工藝先后在不同溶液體系中合成四元銅銦鎵硫薄膜材料。 在水系溶液制備環(huán)境中，我們比較了不同退火熱處理溫度對(duì)四元銅銦鎵硫薄膜晶相生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)在退火溫度為400℃時(shí)，薄膜晶相最佳，結(jié)晶度最佳，表面形貌致密平整，適合作為薄膜太陽(yáng)能電池吸收層材料。所制備的常規(guī)層狀薄膜太陽(yáng)能電池器件，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.75%。 在乙醇系溶液制備環(huán)境中，我們比較了不同沉積電勢(shì)對(duì)四元銅銦鎵硫薄膜晶相生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)在高電勢(shì)時(shí)，薄膜晶相最佳，結(jié)晶度最佳，表面形貌致密平整，適合作為光化學(xué)電池電極材料。通過(guò)光化學(xué)電池測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)高電勢(shì)下制備的薄膜材料光響應(yīng)性能較好；同時(shí)發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)型構(gòu)光電極時(shí)材料光響應(yīng)性能有較好提升。 2.采用電化學(xué)沉積法結(jié)合后期快速退火熱處理工藝在乙醇溶液體系中合成四元鈦摻雜銅鎵硫薄膜材料。本實(shí)驗(yàn)采用的快速熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)為500℃下保溫10分鐘，在較高的溫度下進(jìn)行退火結(jié)晶，可以使得非晶前驅(qū)體快速形核成晶。本實(shí)驗(yàn)制備的四元鈦摻雜銅鎵硫晶相純度高，無(wú)異次相的生成；薄膜晶粒致密度高且具有粗糙的表面形貌，可利用光陷效應(yīng)來(lái)增加光的吸收。由于將鈦元素?fù)诫s入黃銅礦型三元銅鎵硫構(gòu)型中，本實(shí)驗(yàn)成功制備出了具有中間帶隙理論模型吸收特性的吸收層材料，同時(shí)發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)型構(gòu)光電極模型時(shí)材料光響應(yīng)性能得到進(jìn)一步提升。 【關(guān)鍵詞】：電化學(xué)沉積法 黃銅礦半導(dǎo)體材料 退火熱處理工藝 光電性能
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 引言9-10
• 1.2 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換原理10
• 1.3 太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用10-11
• 1.4 I-III-VI2 族太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介11-13
• 1.5 薄膜太陽(yáng)能電池構(gòu)型13-14
• 1.6 本文的研究?jī)?nèi)容及研究意義14-16
• 1.6.1 研究?jī)?nèi)容14-15
• 1.6.2 研究創(chuàng)新性及意義15-16
• 第2章 CIGS 薄膜材料的制備與性能研究16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 水溶液體系樣品制備與表征16-19
• 2.3 結(jié)果與分析19-28
• 2.3.1 薄膜樣品的電化學(xué)伏安曲線分析19-21
• 2.3.2 薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析21-22
• 2.3.3 薄膜樣品的表面形貌分析、元素分析和顯微形貌分析22-24
• 2.3.4 薄膜樣品的晶相形成機(jī)理24-26
• 2.3.5 薄膜樣品的紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)26-27
• 2.3.6 薄膜樣品的電池器件光電轉(zhuǎn)換效率27-28
• 2.4 醇溶液體系樣品制備與表征28-30
• 2.5 結(jié)果與分析30-37
• 2.5.1 薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析30-31
• 2.5.2 薄膜樣品的表面形貌分析、元素分析和顯微形貌分析31-33
• 2.5.3 薄膜樣品的晶相形成機(jī)理33-35
• 2.5.4 薄膜樣品的紫外-可見(jiàn)光吸收性質(zhì)35-36
• 2.5.5 薄膜樣品的光化學(xué)電池響應(yīng)性質(zhì)36-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 第3章 鈦摻雜銅鎵硫的薄膜材料的制備與性能研究38-49
• 3.1 引言38-39
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法39-41
• 3.3 結(jié)果與分析41-47
• 3.3.1 薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)分析41-42
• 3.3.2 薄膜樣品的 Raman 圖譜分析42-43
• 3.3.3 薄膜樣品的 XPS 數(shù)據(jù)分析43-44
• 3.3.4 薄膜樣品的形貌及能譜分析44-45
• 3.3.5 薄膜樣品的顯微形貌分析45-46
• 3.3.6 薄膜樣品的紫外-可見(jiàn)光-近紅外吸收性質(zhì)分析46-47
• 3.3.7 薄膜樣品的光化學(xué)電池響應(yīng)性質(zhì)分析47
• 3.4 本章小結(jié)47-49
• 第4章 總結(jié)與展望49-51
• 4.1 總結(jié)49
• 4.2 展望49-51
• 參考文獻(xiàn)51-58
• 致謝58-59
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文59

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