太陽能電池CuInS_2薄膜和ZnS薄膜的制備與性能研究

【摘要】： CuInS2(CIS)作為一種Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型無機三元半導(dǎo)體化合物,是直接帶隙的半導(dǎo)體,吸收系數(shù)較大,大約為104-105cm-1,其光學(xué)禁帶寬度為1.50 eV左右,非常接近太陽能電池材料的最佳禁帶寬度1.45 eV。與CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太陽能電池材料相比,CuInS2不含任何有毒的成分,是一種非常具有發(fā)展前途的太陽能電池材料。 目前,CIGS基薄膜太陽能電池的制備多采用CdS薄膜作為緩沖層,但CdS的薄膜禁帶寬度只有2.4 eV,對電池吸收層的短波響應(yīng)有一定的影響,而且CdS中的Cd是有毒重金屬,與之相應(yīng)的安全措施也增大了工業(yè)化成本,CdS的使用也不利于環(huán)境保護。因此,研究和開發(fā)無鎘CIS/CIGS太陽電池已成為全球研究此類電池的熱點。ZnS是一種n型Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體化合物,ZnS薄膜因其對環(huán)境友好,寬光學(xué)帶隙(3.5-3.8 eV),制備成本低廉,而成為替代CdS薄膜緩沖層的優(yōu)選材料之一。 論文圍繞CuInS2薄膜太陽能電池材料進行了相關(guān)研究。采用磁控濺射法在玻璃襯底上制備了Mo背電極；采用了磁控濺射沉積銅銦合金預(yù)置膜,再進行N2保護下固態(tài)硫化熱處理的方法制備銅銦硫太陽能電池吸收層材料；采用化學(xué)浴方法制備了替換CdS緩沖層的ZnS薄膜材料。深入分析了薄膜的制備工藝對薄膜的光學(xué)性能、物相結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能、表面形貌等的影響和相關(guān)機理。采用X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、紫外可見光譜(UV-vis)等測試手段對樣品的相關(guān)性能進行了測試和表征。主要研究結(jié)果如下： (1)采用磁控濺射法制備的Mo背電極與玻璃基片附著良好,電阻較低(3.2Ω/cm)。 (2)所制備的CuInS2薄膜表面平整、結(jié)構(gòu)致密。實驗結(jié)果表明,硫化熱處理溫度對CuInS2的晶相形成具有重要影響,500℃開始出現(xiàn)CuInS2相,550℃形成高質(zhì)量結(jié)晶,并且CuInS2薄膜呈(103)面擇優(yōu)取向生長。Tauc法得到的CuInS2薄膜光學(xué)帶隙隨著熱處理溫度的上升而逐漸減小。在550℃硫化熱處理6h后CuInS2薄膜的XRD圖譜中出現(xiàn)了對應(yīng)于黃銅礦結(jié)構(gòu)的(103)、(220)、(312)CuInS2晶體的衍射峰,SEM圖片顯示晶體顆粒為片狀,尺寸在1μm,光學(xué)帶隙為1.5 eV,更適合作為CuInS2吸收層。 (3)化學(xué)浴法制備的ZnS薄膜為非晶薄膜,在沉積溫度為80℃、沉積時間1 h的條件下所制備薄膜的厚度為60.7 nm,薄膜透過率超過85%,光學(xué)帶隙在3.8-3.9 eV范圍之間變化?；瘜W(xué)浴法制備的ZnS薄膜適合CIS/CIGS太陽電池中替換CdS緩沖層材料。 【關(guān)鍵詞】：磁控濺射 化學(xué)浴 CuInS_2薄膜 ZnS薄膜
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-27
• 1.1 研究背景10
• 1.2 太陽能電池的工作原理10-11
• 1.3 太陽能電池的種類11-17
• 1.3.1 硅系太陽能電池12-14
• 1.3.2 多元化合物薄膜太陽能電池14-15
• 1.3.3 染料敏化薄膜電池15-17
• 1.4 CuInS_2化合物性質(zhì)17-19
• 1.4.1 晶體結(jié)構(gòu)17-18
• 1.4.2 光學(xué)性能18
• 1.4.3 電學(xué)性能18-19
• 1.5 ZnS性質(zhì)19-20
• 1.5.1 ZnS物相結(jié)構(gòu)19-20
• 1.5.2 ZnS光學(xué)特性20
• 1.6 薄膜制備方法簡介20-26
• 1.6.1 化學(xué)浴法20
• 1.6.2 溶膠-凝膠法(Sol-Gel)20-21
• 1.6.3 蒸鍍法21
• 1.6.4 電沉積法21-22
• 1.6.5 濺射法22-23
• 1.6.6 噴涂熱解法(Spray Pyrolysis)23-24
• 1.6.7 分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy)24
• 1.6.8 化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)24-25
• 1.6.9 溶劑熱法(Solvothermal Method)25
• 1.6.10 連續(xù)離子層反應(yīng)法25-26
• 1.7 課題目的、意義及內(nèi)容26-27
• 2 實驗方法27-37
• 2.1 實驗方案27
• 2.2 實驗設(shè)備27-29
• 2.3 實驗藥品29
• 2.4 樣品的制備29-34
• 2.4.1 基片處理30
• 2.4.2 Mo背電極的磁控濺射法制備30-32
• 2.4.3 CuInS_2薄膜的制備32-33
• 2.4.4 ZnS薄膜的制備33-34
• 2.5 樣品的分析測試34-37
• 2.5.1 紫外可見光譜(UV-vis spectrum)34-35
• 2.5.2 X射線衍射(XRD)35
• 2.5.3 薄膜表面形貌分析35-36
• 2.5.4 高阻測試儀36
• 2.5.5 NKD膜厚擬合36-37
• 3 Mo背電極的制備37-41
• 3.1 實驗部分37-38
• 3.2 實驗結(jié)果與分析38-40
• 3.3 實驗小結(jié)40-41
• 4 CuInS_2吸收層的制備41-55
• 4.1 實驗部分41-42
• 4.1.1 Cu-In金屬預(yù)置層的制備41
• 4.1.2 Cu-In金屬預(yù)置層的硫化41-42
• 4.2 實驗結(jié)果與分析42-53
• 4.2.1 濺射的Cu-In金屬預(yù)置膜的表面形貌42-43
• 4.2.2 熱處理對CuInS_2薄膜的物相結(jié)構(gòu)影響43-46
• 4.2.3 熱處理對CuInS_2薄膜的光學(xué)性能影響46-49
• 4.2.4 熱處理對CuInS_2薄膜的表面形貌影響49-52
• 4.2.5 CuInS_2薄膜電學(xué)性能52-53
• 4.3 實驗小結(jié)53-55
• 5 ZnS緩沖層的制備55-72
• 5.1 實驗部分55-56
• 5.2 實驗結(jié)果與分析56-70
• 5.2.1 氨水對ZnS薄膜的影響56-58
• 5.2.2 硫脲對ZnS薄膜的影響58-59
• 5.2.3 水合肼對ZnS薄膜的影響59-61
• 5.2.4 酒石酸對ZnS薄膜的影響61-62
• 5.2.5 沉積時間對ZnS薄膜的影響62-64
• 5.2.6 沉積溫度對ZnS薄膜的影響64-65
• 5.2.7 多次沉積對薄膜性能影響65-67
• 5.2.8 熱處理對ZnS薄膜光學(xué)性能的影響67-68
• 5.2.9 ZnS薄膜物相結(jié)構(gòu)分析68-70
• 5.3 實驗小結(jié)70-72
• 6 結(jié)論72-73
• 參考文獻73-78
• 致謝78-79
• 研究生期間發(fā)表的論文79

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