CuInSe_2太陽能薄膜材料的一步電沉積制備及表征

【摘要】：能源(Energy)—經(jīng)濟(jì)(Economy)—環(huán)境(Environment)問題是二十一世紀(jì)人類面臨的重大問題,而其中能源問題尤為嚴(yán)重。太陽能以取之不盡、用之不竭、隨處可得、安全、清潔等特點(diǎn),成為解決“3E”問題的有效途徑。太陽能電池利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,是太陽能應(yīng)用的重要方式之一。CuInSe_2(CIS)是一種直接帶隙材料,光吸收系數(shù)高達(dá)6×105cm~(-1),而且制造成本低、轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定,被認(rèn)為是未來最有發(fā)展前景的光電材料。CuInSe_2材料的制備方法主要有真空蒸發(fā)法、磁控濺射法、分子束外延法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法等,其中電沉積法制備CI(G)S薄膜具有低成本、高效率、非真空、安全環(huán)保、利于大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。 本文以CuCl_2,InCl_3,SeO_2,KCl(電解質(zhì)),檸檬酸鈉(絡(luò)合劑)的水溶液為電沉積液,采用三電極體系恒電位一步電沉積法制備了CuInSe_2薄膜材料,并通過掃描電鏡(SEM)、掃描電鏡自帶能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)對薄膜進(jìn)行表征。研究的主要內(nèi)容如下: 第一,采用磁控濺射法制備背電極Mo薄膜,并研究了濺射功率與Mo薄膜沉積速率以及薄膜表面形貌的關(guān)系。研究結(jié)果表明:濺射功率與Mo薄膜的沉積速率呈線性關(guān)系;Mo薄膜的表面形貌隨濺射功率的增大而變差,在濺射功率為30W時(shí),薄膜的顆粒均勻致密,表面粗糙度最小。 第二,運(yùn)用電化學(xué)工作站,采用循環(huán)伏安法分析Cu、In、Se三種元素在不同絡(luò)合劑濃度下單獨(dú)沉積和共沉積的電化學(xué)行為,并研究了絡(luò)合劑濃度對一步電沉積制備CIS薄膜形貌、物相結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的影響,通過實(shí)驗(yàn)得到了理想的絡(luò)合劑濃度。 第三,研究了沉積電位對恒電位一步電沉積制備CIS薄膜形貌、物相結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的影響,通過實(shí)驗(yàn)得到了理想的沉積電位。第四,在理想的絡(luò)合劑濃度和沉積電位下制備CIS薄膜材料,并進(jìn)行硒化退火,初步研究了退火溫度為500℃時(shí)退火時(shí)間對CIS薄膜形貌和物相結(jié)構(gòu)的影響,通過實(shí)驗(yàn)得到合適的退火時(shí)間。 研究結(jié)果表明絡(luò)合劑檸檬酸鈉對Cu~(2+)和HSeO_~(2+)的絡(luò)合作用較明顯,而對In~(3+)的絡(luò)合作用不明顯;在含有8mmol/L CuCl_2,50mmol/L InCl_3, 12mmol/L SeO_2 , 200mmol/L KCl的溶液中,當(dāng)加入絡(luò)合劑檸檬酸鈉的濃度為500mmol/L,沉積電位為-0.7V(vs.Ag/AgCl),退火溫度為500℃,時(shí)間為60min時(shí)可以制備出表面致密,顆粒均勻,接近理想化學(xué)計(jì)量比的黃銅礦相CIS薄膜。 【關(guān)鍵詞】：一步電沉積 CuInSe_2 循環(huán)伏安 太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-23
• 1.1 前言10-14
• 1.1.1 太陽能電池的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 太陽能電池的原理11-12
• 1.1.3 太陽能電池的分類12-14
• 1.2 CIS 薄膜太陽能電池14-17
• 1.2.1 CIS 薄膜太陽能電池的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r14-16
• 1.2.2 CIS 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)16-17
• 1.3 CuInSe_2 薄膜材料的主要性能及其制備方法17-22
• 1.3.1 CuInSe_2 薄膜材料的基本性質(zhì)17-19
• 1.3.2 CuInSe_2 薄膜材料的主要制備方法19-21
• 1.3.3 電沉積制備CuInSe_2 薄膜材料的發(fā)展21-22
• 1.4 本論文內(nèi)容與意義22-23
• 第2章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及表征方法23-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)23-25
• 2.1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料23-24
• 2.1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器24
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)流程24-25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原理25-28
• 2.2.1 電沉積原理25-27
• 2.2.2 恒電位電沉積27-28
• 2.3 工藝參數(shù)對電沉積CIS 薄膜的影響28-30
• 2.3.1 溶液體系的選擇28
• 2.3.2 電位的影響28-29
• 2.3.3 pH 值的影響29
• 2.3.4 溫度的影響29-30
• 2.3.5 絡(luò)合劑的影響30
• 2.4 測試表征儀器30-34
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試系統(tǒng)(C-V)30-31
• 2.4.2 掃描電子顯微鏡(SEM)31-32
• 2.4.3 能量色散譜儀(EDS)32
• 2.4.4 X-Ray 衍射儀(XRD)32-33
• 2.4.5 原子力顯微鏡(AFM)33-34
• 第3章 背電極Mo 薄膜的制備與表征34-40
• 3.1 背電極的選擇34
• 3.2 磁控濺射的基本原理34-35
• 3.3 濺射功率對Mo 薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響35-39
• 3.3.1 樣品的制備35-36
• 3.3.2 濺射功率對Mo 薄膜沉積速率的影響36-37
• 3.3.3 濺射功率對Mo 薄膜三維形貌及粗糙度的影響37-39
• 3.4 本章小結(jié)39-40
• 第4章 絡(luò)合劑濃度對CIS 薄膜結(jié)構(gòu)和成分的影響40-50
• 4.1 實(shí)驗(yàn)前期工作40-41
• 4.1.1 溶液配制40
• 4.1.2 電極的制備及預(yù)處理40-41
• 4.2 循環(huán)伏安測試41-45
• 4.2.1 單一元素的循環(huán)伏安測試41-44
• 4.2.2 三元共沉積的循環(huán)伏安測試44-45
• 4.3 不同絡(luò)合劑濃度下制備CIS 薄膜45-49
• 4.3.1 電沉積溶液配方及工藝參數(shù)45
• 4.3.2 絡(luò)合劑濃度對薄膜形貌的影響45-47
• 4.3.3 絡(luò)合劑濃度對薄膜晶相結(jié)構(gòu)的影響47-48
• 4.3.4 絡(luò)合劑濃度對薄膜成分的影響48-49
• 4.4 本章小結(jié)49-50
• 第5章 沉積電位對CIS 薄膜結(jié)構(gòu)和成分的影響50-55
• 5.1 不同沉積電位下制備CIS 薄膜50-54
• 5.1.1 電沉積溶液配方及工藝參數(shù)50
• 5.1.2 沉積電位對薄膜形貌的影響50-52
• 5.1.3 沉積電位對薄膜晶相結(jié)構(gòu)的影響52-53
• 5.1.4 沉積電位對薄膜成分的影響53-54
• 5.3 本章小結(jié)54-55
• 第6章 退火時(shí)間對CIS 薄膜結(jié)構(gòu)的影響55-59
• 6.1 硒化退火55-56
• 6.2 CIS 薄膜不同時(shí)間的硒化退火56-58
• 6.2.1 硒化退火對薄膜形貌的影響56-57
• 6.2.2 硒化退火對薄膜晶相的影響57-58
• 6.3 本章小結(jié)58-59
• 第7章 總結(jié)與展望59-60
• 參考文獻(xiàn)60-64
• 致謝64-65
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果65

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