液相法制備CIGS薄膜太陽能電池材料及表征

【摘要】：太陽能是太陽以電磁輻射形式向宇宙空間發(fā)射的能量，也是最可能穩(wěn)定利用的能源，環(huán)保更是其不可替代的特點。太陽能利用中最重要方式的是光伏發(fā)電，可以將太陽光能直接轉化為電能，也是太陽能利用研究中最重要的研究領域之一。如果能夠量化燃燒化石能源所帶來的環(huán)境污染、氣候變暖、人類健康等隱性成本，太陽能發(fā)電將是最經濟的方式之一。 有效單位面積0.5cm~2的CIGS薄膜太陽能電池的實驗室轉化效率已突破20.3%，商業(yè)運用中的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池組件轉換效率達到了15.7%，這明顯高于CdTe或a-Si等太陽能電池器件。在所有可以在光伏領域應用的材料中，CIGS系薄膜太陽能電池由于其轉換效率高、制作成本低廉、性能穩(wěn)定，無疑將成為未來太陽能產業(yè)的主導。CIGS的光吸收系數(shù)高達10~5cm~(-1)，在至今報道過的半導體中光吸收系數(shù)最高。具有這么高的吸收系數(shù),利于太陽電池基區(qū)光子的吸收和少數(shù)載流子的收集,即吸收層的厚度只要1～2μm就達到要求，這樣就可以降低了昂貴原材料的消耗。CIGS薄膜作為吸收層，是CIGS多晶薄膜太陽能電池的最重要的關鍵組成部分。制備高效率薄膜太陽能電池的CIGS薄膜應該偏離材料化學計量比較小，具有黃銅礦結構，具有較好的致密性的較大的CIGS晶粒。CIGS薄膜作為CIGS多晶薄膜太陽能電池的吸收層，制備方法基本上分為真空工藝和非真空工藝倆大類。中真空技術要求復雜的設備，大量的能量消耗，造就了高昂的成本，不利于CIGS多晶薄膜太陽能電池的市場化。同時非真空工藝具有降低CIGS生產成本和更容易控制其計量比等優(yōu)點。非真空的液相法為制備高質量的CIGS多晶薄膜材料提供了新的思路，液相法制備的CIGS薄膜，具有質量高，化學計量比可控，顆粒小，設備要求低等優(yōu)點。相比于乙二胺，三乙烯四胺具有很好的絡合性能和還原性。本文以三乙烯四胺為溶劑，通過液相法制備CIGS納米材料，包括CIGS納米顆粒、CIGS薄膜和CIGS納米管等，并用TEM、HRTEM、SEM、XRD、EDS和XPS等表征手段證明了制備出的納米材料確實是我們的目標產物，并用I-V和表面光電壓等表征手段表征了材料的電學性能和光學性能等。通過這些表征手段初步測定了材料的物理和化學性能，說明了材料的可以在光伏領域有很好的應用前景。 本文利用三乙烯四胺作為溶劑，同時也是還原劑，以乙酰丙酮鹽和Se粉為反應原料，在空氣下回流，液相法制備單分散的CuIn_xGa_(1-x)Se_2納米顆粒。本方法也為大量制備CIGS納米顆粒和制備質優(yōu)價廉的CIGS多晶薄膜太陽能電池提供新的思路，以便加快CIGS多晶薄膜太陽能電池的市場化。又利用三乙烯四胺作為溶劑，同時也是還原劑，以乙酰丙酮鹽和Se粉為反應原料，制備CIGS前驅體溶液，然后滴涂在FTO上，熱處理，得到了CIGS薄膜。該方法簡單，可以大面積制備CIGS薄膜，同時不受基底的形貌等的限制。不需要Se化過程，避免使用劇毒的H_2Se，同時簡化實驗過程。同時，本方法不需要價格高昂的真空設備和巨大的能量消耗，將制備價格低廉的CIGS多晶薄膜太陽能電池提供新的思慮，以便加快CIGS多晶薄膜太陽能電池的市場化。同時利用三乙烯四胺作為溶劑，同時也是還原劑，以乙酰丙酮鹽和Se粉為反應原料，以AAO為硬模板，在空氣下，濕化學法制備了單晶CIGS納米管。不需要Se化過程，避免使用劇毒的H_2Se氣體，同時簡化實驗過程。我們利用XRD、SEM、TEM和EDS等分析手段對樣品進行了表征，得到的單晶CIGS納米管。 【關鍵詞】：CIGS 液相法 薄膜 太陽能電池
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-35
• 1.1 太陽能利用的重要性10-11
• 1.2 太陽能電池的發(fā)展概況11-14
• 1.3 太陽電池的種類14-19
• 1.3.1 硅基太陽電池14-15
• 1.3.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽電池15-16
• 1.3.3 碲化鎘（CdTe）多晶薄膜太陽電池16
• 1.3.4 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ_2族化合物(CIS)薄膜太陽能電池16-18
• 1.3.5 有機半導體太陽電池18
• 1.3.6 染料敏化電池18-19
• 1.4 銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池19-26
• 1.4.1 CIGS 的晶體結構和特性19-21
• 1.4.2 CIGS 太陽能電池的結構21-22
• 1.4.3 CIGS 太陽能電池的性能參數(shù)22-24
• 1.4.4 CIGS 薄膜的制備方法24-26
• 1.5 選題依據(jù)、意義及研究內容26-28
• 1.5.1 選題依據(jù)與意義26-27
• 1.5.2 研究內容27-28
• 參考文獻28-35
• 第二章 液相法制備 CIGS 納米顆粒35-53
• 2.1 引言35-36
• 2.2 實驗36-37
• 2.2.1 試劑及儀器36
• 2.2.2 CIGS 納米顆粒的制備36
• 2.2.3 CIGS 多晶薄膜的制備36-37
• 2.3 結果與討論37-47
• 2.3.1 CIGS 納米顆粒的 XRD 表征分析37-39
• 2.3.2 CIGS 納米顆粒的形貌表征分析39-41
• 2.3.3 CIGS 納米顆粒的 EDS 分析41-43
• 2.3.4 CIGS 納米顆粒的吸收特性分析43-45
• 2.3.5 CIGS 納米顆粒的 XPS 分析45-47
• 2.4 CIGS 薄膜的表征與分析47-50
• 2.4.1 CIGS 薄膜的形貌分析47-49
• 2.4.2 薄膜的光電分離特性49-50
• 2.5 本章結論50-51
• 參考文獻51-53
• 第三章 液相法直接制備 CIGS 多晶薄膜53-71
• 3.1 引言53-54
• 3.2 實驗54-55
• 3.2.1 試劑及儀器54
• 3.2.2 基底處理54
• 3.2.3 CIGS 前驅體溶液制備54-55
• 3.2.4 CIGS 多晶薄膜的制備55
• 3.3 結果與討論55-66
• 3.3.1 CIGS 薄膜的 XRD 表征分析55-57
• 3.3.2 CIGS 納米顆粒的形貌和組分表征分析57-61
• 3.3.3 CIGS 薄膜的 XPS 分析61-62
• 3.3.4 CIGS 薄膜的吸收特性分析62-64
• 3.3.5 CIGS 薄膜的光電分離特性64-65
• 3.3.6 CIGS 薄膜的 I-V 曲線分析65-66
• 3.4 CIGS 薄膜作為 DSSC 電池的背電極的應用66-67
• 3.5 本章結論67-68
• 參考文獻68-71
• 第四章 CIGS 納米管的制備71-80
• 4.1 前言71-72
• 4.2 實驗72-73
• 4.2.1 試劑及儀器72
• 4.2.2 實驗過程72-73
• 4.3 結果與討論73-76
• 4.3.1 CIGS 納米管的 XRD 表征分析73-74
• 4.3.2 CIGS 納米管的形貌與組分表征分析74-76
• 4.4 本章結論76-78
• 參考文獻78-80
• 結論與展望80-82
• 工作總結80-81
• 工作展望81-82
• 碩士期間發(fā)表的文章和工作82-83
• 致謝83-84

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