Cu_2ZnSnS_xSe_（4-x）薄膜太陽能電池吸收層材料的制備與表征

【摘要】：四元化合物Cu2ZnSnS4 (CZTS)和Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)具有單結太陽能電池的最佳帶隙(1.4～1.5 eV),高吸收系數(104cm-1),且元素儲備豐富,作為一種理想的薄膜太陽能電池材料而受到人們越來越多的關注,克服了CdTe, CuIn1-xGaxSe2(CIGS)因材料稀有所引起的限制。多個研究組已應用熱蒸發(fā)法,磁控濺射法和軟化學法等方法成功制備出了Cu2ZnSnS4吸收層?；谠擃惒牧系奶柲茈姵毓怆娹D化率從1996年的0.66%提高至2011年的8.4%。近年來,IBM公司采用聯(lián)氨溶液沉積吸收層的方法構筑了CZTSSe基薄膜太陽能電池,其轉化效率高達9.6%;Guo研究小組采用后硒化CZTS吸收層薄膜同樣制備了CZTSSe基薄膜太陽能電池,其轉化效率高達7.2%。這說明Se元素在摻入能有效的提高CZTS基太陽能電池的光電轉化效率。但是聯(lián)氨溶液沉積中用到的水合肼具有很強的腐蝕性,不利于工業(yè)化應用。而且后硒化過程中,溫度超過400℃時會導致Sn元素的損失,使薄膜的化學計量比難以控制并能引起薄膜的不均勻。因此合成純相的CZTSSe納米晶,并將其構筑電池是具很大意義的。 迄今已有CZTS(Se)納米晶以通過各種濕化學方法合成,但是實驗過程復雜、需要昂貴的試劑。本論文發(fā)展溶劑熱法成功的合成了Cu2ZnSnS4,Cu2ZnSnSe4和Cu2ZnSnSxSe4-x(0x4)固溶納米晶并對其進行了表征；在合成的固溶納米晶的基礎上制備Cu2ZnSnSxSe4-x薄膜。主要內容包括： 1.發(fā)展溶劑熱方法,以乙二胺為溶劑,CuCl, ZnCl2, SnCl4·5H2O和Se粉(S粉)為前驅物,成功的合成了純相的Cu2ZnSnSe4和Cu2ZnSnS4納米晶體。采用X射線粉末衍射,透射電鏡對合成的納米晶進行表征。結果表明合成了純相Cu2ZnSnSe4和Cu2ZnSnS4納米晶,前者粒子尺寸為6-8 nm,后者的粒子尺寸為8-12 nm。研究了反應溫度、時間對產物的影響并探討可能的生長機理。 2.在合成Cu2ZnSnSe4納米晶的基礎上,以一定比例的Se和S混合物取代Se,成功制備出Cu2ZnSnSxSe4-x(0x4)固溶納米晶。該體系納米粒子尺寸較大,平均直徑為20～50 nm,且易團聚成片狀結構。從X射線粉末衍射花樣可以看出,隨著反應物中S量的增加,衍射峰的位置不斷向右移動,這意味著有原子半徑較小的S元素不斷摻入到Cu2ZnSnSe4納米晶中,形成了Cu2ZnSnSxSe4-x(0x4)納米晶。從HRTEM照片中可以看出,隨著固溶體系中S量的增加,(112)面的面間距不斷降低,進一步說明S元素摻入到Cu2ZnSnSe4納米晶中,形成了Cu2ZnSnSxSe4-x(0x4)(?)納米晶。固溶體系的拉曼譜也有類似的結果,隨著S含量的增加,振動模不斷藍移,說明質量小的元素取代了重的元素。利用光致發(fā)光光譜和紫外可見吸收光譜研究了固溶體系的光學性能,發(fā)現(xiàn)固溶體系的帶寬受到S量的調制。 3.發(fā)展了絲網印刷技術,采用手動的方法,以合成的固溶Cu2ZnSnSxSe4-x (CZTSSe) (0x4):納米晶為原料,在鍍有Mo的玻璃基底上沉積了面積為15mm×20mm CZTSSe薄膜。利用X射線粉末衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)對薄膜進行了表征。CZTSSe薄膜的物相和起始原料相比沒有發(fā)生變化。雖然薄膜表面空洞較多,但晶粒尺寸較為均勻,大部分顆粒尺寸小于1μm。同時研究不同熱處理溫度對于薄膜質量的影響。選取厚度為2～3μm的CZTSSe薄膜,用水浴法在其上沉積CdS薄膜,用導電銀膠引出電極。采用半導體分析測試儀研究器件的Ⅰ-Ⅴ特性,證明沉積得到的CZTSSe薄膜具有P型導電性。 【關鍵詞】：溶劑熱法 Cu_2ZnSnS_xSe_(4-x)納米晶 絲網印刷法 CZTSSe吸收層
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 Cu_2ZnSnS(Se)_4薄膜及電池研究進展12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 太陽能電池原理13-15
• 1.3 太陽能電池分類15-17
• 1.4 Cu_2ZnSnS(Se)_4薄膜太陽能材料與電池17-27
• 1.4.1 Cu_2ZnSnS(Se)_4材料的基本性質17-18
• 1.4.2 Cu_2ZnSnS(Se)_4吸收層的研究進展18-27
• 1.5 本論文的研究工作27-28
• 第二章 Cu_2ZnSn(S,Se)_4納米晶的合成與表征28-46
• 2.1 引言28-29
• 2.2 實驗部分29-31
• 2.2.1 原料與試劑29
• 2.2.2 實驗儀器29-30
• 2.2.3 樣品的合成30-31
• 2.2.4 樣品的表征31
• 2.3 結果與討論31-45
• 2.3.1 樣品的物相及元素分析31-37
• 2.3.2 樣品的可能生長機理37
• 2.3.3 樣品的微結構分析37-40
• 2.3.4 CZTSSe納米晶的拉曼譜40-41
• 2.3.5 CZTSSe納米晶的光致發(fā)光(PL)譜41-42
• 2.3.6 CZTSSe納米晶的紫外可見(UV)吸收譜42-45
• 2.4 本章小結45-46
• 第三章 CZTSSe吸收層薄膜的沉積46-56
• 3.1 引言46-47
• 3.2 實驗部分47-50
• 3.2.1 原料與試劑47
• 3.2.2 實驗儀器47-48
• 3.2.3 樣品的制備48-50
• 3.2.4 薄膜的表征50
• 3.3 結果與討論50-55
• 3.3.1 CZTSSe薄膜的XRD衍射花樣51-52
• 3.3.2 CZTSSe薄膜的截面和表面形貌52-54
• 3.3.3 CZTSSe薄膜的電性能分析54-55
• 3.4 本章小結55-56
• 第四章 結論與展望56-57
• 參考文獻57-63
• 在讀期間發(fā)表的論文和申請的專利63-64
• 致謝64

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