多元醇溶液化學(xué)膠體墨水法CuInSe_2納米晶、薄膜制備與光伏應(yīng)用

【摘要】：CuInSe_2(CIS)材料以其優(yōu)越的光電性能，做為光吸收層材料在薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有著重要的地位和廣闊的發(fā)展前景。納米晶墨水法是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種低成本、非真空環(huán)境下沉積CIS薄膜的技術(shù)。本文首次選擇多元醇做為反應(yīng)熱溶劑，采用熱注入工藝，成功制備出單相、近單分散、符合化學(xué)計(jì)量比的CIS納米粒子、納米片晶、納米粒子和納米片晶的混晶形態(tài)。將CIS納米晶超聲分散在乙醇中，制備出穩(wěn)定的膠體墨水，采用浸漬-提拉成膜工藝，制備出高質(zhì)量的CIS薄膜。進(jìn)一步在Ar氣中退火熱處理，制備出高結(jié)晶性、高致密度、強(qiáng)烈(112)晶面取向的黃銅礦CIS薄膜。將墨水薄膜做為吸收層材料組裝了Mo/CIS/CdS/i–ZnO, n–ZnO/Ag, Al型試驗(yàn)光伏器，得到了一定的光電轉(zhuǎn)換效率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以乙二醇(EG)、二乙二醇(DEG)和三乙二醇(TEG)做為反應(yīng) 熱溶劑，水合肼(N_2H_4·H_2O)為還原劑制備的CIS納米粒子的分散性會(huì)隨著多元醇碳鏈的增加得到明顯改善，TEG為反應(yīng)熱溶劑時(shí)制備的黃銅礦CIS納米粒子的分散性最好，粒子呈現(xiàn)近球多變形形狀，平均粒徑約為10.5nm，且符合1/1/2相的化學(xué)計(jì)量比。TEG體系下，提高反應(yīng)溫度能增加CIS納米粒子的平均尺寸和尺寸分布的均勻性。實(shí)驗(yàn)表明此體系是一個(gè)快速爆發(fā)、一步生成三元CIS晶核，迅速生長(zhǎng)的過(guò)程，反應(yīng)在1min左右就基本結(jié)束，進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)于晶粒的長(zhǎng)大影響不大，后期的奧斯瓦爾德熟化能促使晶粒略有長(zhǎng)大，且粒徑分布更窄，接近單分散。 TEG體系下，以乙二胺(En)為還原劑時(shí)，改變熱注入工藝程序能制備出直徑為100~600nm的表面粗糙的多晶閃鋅礦CIS納米片和200~400nm之間、徑厚比約為10的表面光滑的單晶閃鋅礦CIS納米片，且該納米片具有閃鋅礦(111)晶面取向。通過(guò)對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)物的XRD、EDS、TEM和HRTEM的研究表明，CIS納米片晶是先生成二元的CuSe納米片，隨后發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)镃IS納米片晶的。PVP的存在能明顯改善CIS納米片晶的分散性，機(jī)理是通過(guò)PVP強(qiáng)極性的?；倌軋F(tuán)與CIS納米晶表面配位，利用空間位阻作用達(dá)到穩(wěn)定分散的目的。溶液中同時(shí)加入N_2H_4·H_2O和En時(shí)，產(chǎn)物為CIS納米粒子和納米片的混晶，粒子和片晶的相對(duì)含量可以通過(guò)調(diào)節(jié)N_2H_4·H_2O和En的相對(duì)比例進(jìn)行控制，增加En的相對(duì)含量能增加片晶的比例。 CIS納米晶墨水的分散性對(duì)于最終的成膜質(zhì)量影響較大，分散性好的納米晶通過(guò)浸漬-提拉成膜后較為平整、致密且無(wú)多孔現(xiàn)象，在Ar氣熱處理后致密度和結(jié)晶性都有一定提高。CIS納米混晶薄膜的(112)擇優(yōu)取向會(huì)隨著片晶含量比例的增加而加大，(112)方向擇優(yōu)取向因子能從1.2增加至14.5。閃鋅礦CIS片晶薄膜580°C退火后會(huì)發(fā)生相變轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更穩(wěn)定的黃銅礦CIS薄膜，同時(shí)薄膜的致密性和晶粒大小都有著明顯的增加，且(112)晶面方向擇優(yōu)取向因子高達(dá)270.9。 將CIS納米粒子和納米片混晶構(gòu)成的薄膜熱處理后做吸收層，組裝Mo/CIS/CdS/i–ZnO/n–ZnO/Ag，Al薄膜試驗(yàn)電池，AM1.5光照下開路電壓V_(OC)為255mV，短路電流J_(SC)為2.1mA·cm~(-2)，填充因子FF為0.29，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.16%。以580oC熱處理后的CIS片晶薄膜組裝的電池AM1.5光照下開路電壓和短路電流能達(dá)到了249mV和1.97mA·cm~(-2)，填充因子達(dá)到了0.36，光電轉(zhuǎn)換效率為0.18%。 【關(guān)鍵詞】：銅銦硒化合物 納米粒子 納米片 多元醇溶液合成 墨水法薄膜 高取向結(jié)構(gòu) 光伏應(yīng)用
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TB383
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-35
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太陽(yáng)電池的分類及發(fā)展11-17
• 1.2.1 硅太陽(yáng)電池12-13
• 1.2.2 無(wú)機(jī)化合物薄膜太陽(yáng)電池13-15
• 1.2.3 納米晶太陽(yáng)電池15-16
• 1.2.4 有機(jī)太陽(yáng)電池16-17
• 1.3 CuInSe_2薄膜材料17-22
• 1.3.1 CuInSe_2的晶體結(jié)構(gòu)17-19
• 1.3.2 CuInSe_2的光學(xué)帶隙和吸收系數(shù)19-20
• 1.3.3 CuInSe_2的電學(xué)性質(zhì)20-22
• 1.4 CuInSe_2薄膜制備方法22-28
• 1.4.1 多元共蒸發(fā)法22-23
• 1.4.2 濺射法23-24
• 1.4.3 金屬預(yù)制層后硒化法24
• 1.4.4 電沉積法24-25
• 1.4.5 連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法25-26
• 1.4.6 溶液法和納米晶墨水法26-28
• 1.5 液相法合成納米材料的機(jī)理28-32
• 1.5.1 晶體成核29-30
• 1.5.2 晶體生長(zhǎng)30-31
• 1.5.3 納米粒子的分散和穩(wěn)定31-32
• 1.6 課題的提出及創(chuàng)新32-35
• 第二章 乙二醇和松油醇體系 CuInSe_2納米晶的制備與特征35-48
• 2.1 引言35
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分35-41
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料設(shè)備35-36
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置36-37
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟37-39
• 2.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)39-40
• 2.2.5 測(cè)試與表征40-41
• 2.3 結(jié)果與討論41-47
• 2.3.1 不同溶劑體系的選擇41-43
• 2.3.2 EG 體系下不同回流時(shí)間的影響43
• 2.3.3 EG 體系下不同熱注入方式對(duì)產(chǎn)物的影響43-45
• 2.3.4 EG 體系下不同水合肼注入量對(duì)產(chǎn)物的影響45-47
• 2.4 主要結(jié)論47-48
• 第三章 多元醇體系 CuInSe_2納米晶的制備與表征48-74
• 3.1 引言48-49
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分49-55
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料設(shè)備49-50
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟50-52
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)52-54
• 3.2.4 測(cè)試與表征54-55
• 3.3 結(jié)果與討論55-72
• 3.3.1 不同溶劑的選擇55-59
• 3.3.2 TEG 體系下不同反應(yīng)溫度的影響59-63
• 3.3.3 TEG 體系下溶液化學(xué)反應(yīng)的討論63-64
• 3.3.4 TEG 體系下不同反應(yīng)時(shí)間的影響64-65
• 3.3.5 TEG 體系下 PVP 對(duì)于納米晶分散性和形貌的影響65-67
• 3.3.6 TEG 體系下水合肼及乙二胺對(duì)于納米晶的影響67-69
• 3.3.7 TEG 體系下不同化學(xué)計(jì)量比的討論69-71
• 3.3.8 TEG 體系下添加劑對(duì)于納米晶的影響71-72
• 3.4 主要結(jié)論72-74
• 第四章 三乙二醇體系制備單分散的 CuInSe_2納米片74-103
• 4.1 引言74-75
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分75-81
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料設(shè)備75
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟75-78
• 4.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)78-80
• 4.2.4 測(cè)試與表征80-81
• 4.3 結(jié)果與討論81-101
• 4.3.1 不同工藝的選擇81-86
• 4.3.2 不同回流時(shí)間的影響86-93
• 4.3.3 不同溫度模式的影響93-95
• 4.3.4 不同 PVP 含量的影響95-97
• 4.3.5 不同乙二胺含量對(duì)產(chǎn)物的影響97-98
• 4.3.6 不同乙二胺和水合肼的混加含量對(duì)產(chǎn)物的影響98-101
• 4.4 主要結(jié)論101-103
• 第五章 膠體墨水法制備 CuInSe_2薄膜及其光伏應(yīng)用103-134
• 5.1 引言103-104
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分104-112
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)原料設(shè)備104-105
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置105-106
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟106-108
• 5.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)108-111
• 5.2.5 測(cè)試與表征111-112
• 5.3 結(jié)果與討論112-132
• 5.3.1 EG 體系下熱處理對(duì) CIS 薄膜的影響112-113
• 5.3.2 TEG 體系下熱處理溫度對(duì)的 CIS 納米晶薄膜的影響113-117
• 5.3.3 輔助劑含量對(duì)熱處理后 CIS 薄膜的影響117-119
• 5.3.4 墨水濃度對(duì)于 CIS 薄膜形貌及厚度的影響119-120
• 5.3.5 陶瓷坩堝中熱處理溫度對(duì) CIS 納米片晶薄膜的影響120-124
• 5.3.6 石墨坩堝熱處理對(duì) CIS 納米片晶薄膜的影響124-127
• 5.3.7 CBD 工藝制備 CdS 薄膜127-128
• 5.3.8 CIS 納米粒子薄膜的光伏應(yīng)用128-131
• 5.3.9 CIS 納米片晶薄膜的光伏應(yīng)用131-132
• 5.4 主要結(jié)論132-134
• 第六章 結(jié)論134-138
• 參考文獻(xiàn)138-148
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文和科研情況說(shuō)明148-150
• 致謝150

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

SILAR法制備無(wú)機(jī)化合物薄膜    靳正國(guó),劉曉新,步紹靜,程志捷

CuInSe2太陽(yáng)電池薄膜的制備技術(shù)及研究進(jìn)展    孫小玲,馬鴻文

有機(jī)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展    林鵬,張志峰,熊德平,張夢(mèng)欣,王麗

從動(dòng)蕩與結(jié)構(gòu)變化中認(rèn)知世界能源市場(chǎng)——《BP世界能源統(tǒng)計(jì)2009》解析    王立敏;

熱處理對(duì)SILAR法制備CuInSe_2薄膜性能的影響    楊建立,靳正國(guó),石勇,李春艷,安賀松

有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池的研究進(jìn)展    王琦;王娜娜;于軍勝;蔣亞?wèn)|;

納米晶Bi_2Se_3-Sb_2Se_3薄膜的SILAR法制備及表征    陳多金;雷天民;盧剛;

氫光聯(lián)合供電系統(tǒng)的能量管理    徐敏;阮新波;劉福鑫;李艷;楊東升;

可再生能源在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀分析    冉春雨;劉穎超;王春清;

生物質(zhì)發(fā)電的節(jié)能減排效果分析    王惠文;是艷杰;李紅莉;趙碧光;朱春;

雙熱源型太陽(yáng)能熱泵夏冬兩季節(jié)能運(yùn)行分析    李智;劉驥;虞維平;

Ionic liquid-assisted synthesis of silver nanorods by polyol reduction    

我國(guó)節(jié)能的現(xiàn)狀和潛力分析    張銳;

淺析新能源的利用    鄧鑫;

太陽(yáng)能電池材料的研究進(jìn)展    彭艷紅;韓雪峰;溫和瑞;

中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用    駱超;馬偉斌;龔宇烈;

中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用    曲勇;駱超;龔宇烈;

生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用    劉婷婷;余英;趙碧光;朱春;

應(yīng)用廢棄油氣井進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電    卜憲標(biāo);馬偉斌;龔宇烈;

摻雜型ZnS納米粒子的制備及表面修飾對(duì)其發(fā)光性質(zhì)的影響    曲華

城市能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備系統(tǒng)研究    秦青林

NiTi形狀記憶合金中Ni_4Ti_3相沉淀行為的相場(chǎng)法模擬研究    柯常波

基于并網(wǎng)逆變器電能質(zhì)量與變換效率的若干關(guān)鍵技術(shù)研究    楊波

大型風(fēng)電機(jī)組變槳距控制策略研究    王哲

鎂鋁合金成分、半固態(tài)組織和等溫處理工藝    張亮

AZ91D鎂合金高剪切流變成形理論與工藝研究    朱光磊

我國(guó)能源運(yùn)輸通道體系綜合評(píng)價(jià)及優(yōu)化研究    姜廣君

兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)研究    葛俊旭

氧化亞鐵硫桿菌優(yōu)化培養(yǎng)及其煤炭生物脫硫的界面作用研究    劉金艷

生物質(zhì)與煤共熱解實(shí)驗(yàn)研究    朱孔遠(yuǎn)

含8-羥基喹啉的聚合金屬配合物的合成及其光伏性能    肖麗芬

戶用光伏逆變電源系統(tǒng)研究    王恩

雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制技術(shù)研究    徐鳳星

12MW生物質(zhì)能發(fā)電廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)研究    劉婷婷

光伏建筑一體化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)    徐建國(guó)

CO_2/O_2氣氛下煤粉富氧燃燒特性基礎(chǔ)研究    姜旭東

低倍率聚光光伏系統(tǒng)的性能研究    徐章祿

基于節(jié)能減排視角的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益審計(jì)研究    張海玲

新型無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米材料的制備及在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究    陳瑩娟

有機(jī)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展    徐明生,季振國(guó),闕端麟,汪茫,陳紅征

納米四氧化三鐵(Fe_3O_4)的制備和形貌    于文廣;張同來(lái);張建國(guó);郭金玉;吳瑞鳳;

均分散球形Y_2O_3:Eu~(3+)納米晶的制備    周建國(guó),李振泉,趙鳳英,夏樹屏,高世揚(yáng)

水熱法制備納米晶構(gòu)筑的球狀CuO    鮑光炎;

Zn_xCd_(1-x)S∶Ag納米晶的合成及其光學(xué)性質(zhì)研究    戴潔;菅文平;莊家騏;楊文勝;

利用離子型Cd源制備ZnSe/CdSe核-殼結(jié)構(gòu)納米晶    王洪哲;趙慧玲;申懷彬;牛金鐘;杜祖亮;李林松;

硫化鎘納米晶與聚合物組裝技術(shù)的研究進(jìn)展    張瑞鵬;

半導(dǎo)體CdE(E=S,Se,Te)納米晶的膠體化學(xué)法合成進(jìn)展    謝闖;陳巍;王靜康;

高發(fā)光強(qiáng)度上轉(zhuǎn)換材料Y_2O_3∶Er,Yb納米晶的制備    菅文平;單桂曄;賈若琨;莊家騏;白玉白;

微波輔助合成發(fā)光可調(diào)ZnS∶Cu納米晶    菅文平;張大巍;王凌凌;莊家騏;楊文勝;白玉白;

棒狀LaF_3:Eu~(3+)納米晶的制備與發(fā)光性能    劉桂霞;蘇瑞相;王進(jìn)賢;董相廷;

功能性聚合物與納米晶雜化材料的制備和性能優(yōu)化    楊柏;

氮摻雜ZnO納米晶表面改性及其抗菌性、紫外防護(hù)性研究    鄭敏;吳佳卿;許樂(lè);殷駿;

納米晶α—Fe_2O_3材料氣敏性質(zhì)的研究    劉海波;李雪梅;徐寶琨;李熙;趙慕愚;

兩相溶劑熱法制備SnO_2納米粒子    康詩(shī)釗;楊熠鍇;穆勁;

納米晶FeCoNi軟磁薄膜的制備及其耐蝕性能的研究    王秋萍;蔡超;張昭;

電化學(xué)陽(yáng)極氧化生長(zhǎng)納米晶光催化TiO_2薄膜    沈嘉年;宋江江;李凌峰;

不同離子激活的ZrO_2納米粉發(fā)光性質(zhì)的研究    王淑芬;顧鋒;呂孟凱;

準(zhǔn)單分散Cd_xZn_(1-x)S納米晶的制備    康詩(shī)釗;賈拉弟;李向清;穆勁;王磊;

納米晶稀土貯氫合金的制備    

過(guò)渡金屬離子和稀土金屬離子共摻的ZnS納米晶光致發(fā)光特性的研究    楊萍;呂孟凱;許東;袁多榮;宋春風(fēng);潘梅;劉久榮;

無(wú)機(jī)納米晶研究獲新成果    于洋　記者 李泳溈

我國(guó)已能制備無(wú)機(jī)納米晶    記者任福海

納米晶陶瓷快速成型設(shè)備研制成功    

以色列用DNA裝配納米晶體管    田學(xué)科

我國(guó)“非晶、納米晶”技術(shù)跨入世界先進(jìn)行列    李揚(yáng)　劉洋

我國(guó)非晶、納米晶材料技術(shù)獲重大突破    記者　呂賢如

納米材料：使世界更奇異    郝鋼

兩化工成果入選基礎(chǔ)研究十大新聞    馮曉彤

高催化活性納米晶貴金屬氧化物涂層不溶性電極    孟惠民

納米材料：有你世界更奇異    

稀土摻雜NaYF_4上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米晶的水相合成、表征及其生物應(yīng)用探索    趙軍偉

二氧化鈦納米晶的溶膠法低溫制備機(jī)理及其摻雜研究    李紅

過(guò)渡金屬（Mn、Cu）摻雜納米晶的制備和光電子性質(zhì)研究    鄭金桔

上轉(zhuǎn)換微納米晶@TiO_2核/殼結(jié)構(gòu)紅外光催化材料的制備和表征    張代生

熒光納米晶的制備及其在免疫學(xué)中應(yīng)用的初步研究    單桂曄

利用寡聚DNA構(gòu)建納米晶有序結(jié)構(gòu)    馬玉丹

膠體納米晶的水相合成與室溫表面配體化學(xué)    紀(jì)小會(huì)

Si基納米晶陣列的制備及特性研究    胡海龍

多元醇溶液化學(xué)膠體墨水法CuInSe_2納米晶、薄膜制備與光伏應(yīng)用    劉輝

CdSe等半導(dǎo)體納米晶的合成及性質(zhì)研究    戴全欽

模板劑對(duì)摻鑭介孔納米晶TiO_2微結(jié)構(gòu)的影響    周冰晶

木質(zhì)素基兩性表面活性劑對(duì)ZnO納米晶控制制備    余方丹

基于鎢酸基無(wú)機(jī)—有機(jī)層狀混雜結(jié)構(gòu)的鎢系微納米晶材料的制備與表征    溫合靜

單分散Ag和TiO_2納米晶的合成及自組裝特性研究    孔偉

生物可降解聚酯聚丁二酸丁二醇酯（PBS）的加工改性研究    尹凱凱

納米晶PbSe與SnSe的制備、表征及性能研究    祝艷

NaYF_4上轉(zhuǎn)換納米晶與CdSe/CdS量子點(diǎn)的合成、光譜分析及構(gòu)建一個(gè)FRET結(jié)構(gòu)    張博

氟化鋇微納米晶的DNA輔助合成與表征    趙新美

Nd-Fe-B/α-Fe兩相納米晶復(fù)合交換永磁薄膜結(jié)構(gòu)和磁性研究    孫泓

膠溶法制備TiO_2納米晶溶膠及其應(yīng)用研究    宗建娟