銅銦硒系光伏材料的軟化學(xué)法制備與性能研究

【摘要】：在全球性能源供求口趨緊張的今天,利用太陽能光電技術(shù)來優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。光伏能源技術(shù)關(guān)鍵在于太陽能電池技術(shù),在新一代太陽能電池中,CuInSe2(CISe)薄膜電池以其禁帶值可調(diào)、高光吸收系數(shù)、光電轉(zhuǎn)化率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,已成為材料科學(xué)、化學(xué)、能源科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。但是在CISe光吸收膜層的制備方面,國內(nèi)目前大多采用濺射沉積等真空工藝,其存在成本高、重復(fù)性差等缺點。研究表明,采用電化學(xué)沉積、絲網(wǎng)印刷等非真空工藝,在維持光吸收層品質(zhì)的同時,可有效降低制備成本,其具有重要的意義。 本文按照“粉體-漿料-薄膜”軟化學(xué)法路線,在CISe粉體的制備基礎(chǔ)上進一步深入研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)輔助、Ga摻雜、S摻雜等新體系,對CISe粉體物相、形貌及光吸收性能的影響,提高了粉體的性能指標(biāo)。初步開展了CISe漿料、CISe薄膜的研制工作。通過大量實驗工作,取得一些創(chuàng)新性成果。 采用簡單的溶劑熱法,以乙二胺為溶劑,PVP輔助制得CISe粉體,考察了反應(yīng)溫度、PVP用量對粉體物相與形貌的影響。實驗結(jié)果表明,180℃C下所得黃銅礦型CISe粉體具有新穎的“六邊形片簇”形貌,其禁帶值因該形貌的量子尺寸效應(yīng)寬化至1.30eV：反應(yīng)溫度為210℃C時,粉體形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔映叽缧?yīng)較弱的“六邊形球簇”,禁帶值也相應(yīng)減小至1.24eV。PVP輔助對CISe粉體物相無顯著影響,但形貌卻隨PVP用量的增加,往微米級“長方體”發(fā)展,造成粉體光吸收邊的“紅移”現(xiàn)象,當(dāng)添加1.OgPVP(即占反應(yīng)物總質(zhì)量的64%)時,PVP/CISe粉體的禁帶值約為1.08eV。同時,CISe晶體形貌的“形核-成長”影響機制也得到了有效建立。 在CISe粉體合成基礎(chǔ)之上,進一步研究了Ga元素、S元素摻雜劉CISe粉體物相、形貌與性能的影響。實驗結(jié)果表明,反應(yīng)物初始摩爾比能有效調(diào)控產(chǎn)物的各組分百分含量。Ga摻雜不改變CISe粉體的黃銅礦結(jié)構(gòu),而S摻雜使得粉體物相往纖鋅礦轉(zhuǎn)變。隨著摻雜量的增大,CIGSe粉體依次呈現(xiàn)片簇、納米球、片等形貌,而CISeS粉體形貌則依次變?yōu)槠?、球體等結(jié)構(gòu)。CIGSe、CISeS粉體的光吸收邊均出現(xiàn)“藍移”現(xiàn)象,禁帶值也從CISe的1.30eV分別增大至1.58eV、1.40eV。同時,論文還在乙醇-硫脲體系下制得黃銅礦CIS粉體,通過與乙二胺-硫化鈉體系的纖鋅礦CIS粉體對比發(fā)現(xiàn),黃銅礦為纖鋅礦的超晶體結(jié)構(gòu),纖鋅礦晶體的Cu+、In3+發(fā)生有序轉(zhuǎn)變后,能轉(zhuǎn)變成黃銅礦型CIS粉體,其禁帶值也相應(yīng)地增大至1.48eV。 采用單因素條件實驗法,研究了分散穩(wěn)定的CISe漿料制備工藝。實驗結(jié)果表明,在丙三醇體積百分含量為40%-50%的乙醇-丙三醇混合溶劑中,加入與CISe粉體質(zhì)量比為0.4～0.5的分散劑PVP,將混合體系超聲分散15-20min后,再用高速勻質(zhì)機以3000-4000r/min的速率剪切分散3～4h。所得CISe漿料具有最佳分散穩(wěn)定性,能靜置60余天而無明顯沉降。同時,往分散穩(wěn)定的CISe漿料中添加適量的涂料助劑,即可制得適宜浸漬-提拉法鍍膜的CISe涂料。 采用浸漬-提拉法,在玻璃基體上制備了CISe預(yù)制膜,并進一步通過硒化退火工藝制得黃銅礦型CISe薄膜。實驗結(jié)果表明,CISe涂料經(jīng)1Omm/min勻速提拉固化后,在基體上即可形成附著力達0級的CISe預(yù)制膜,預(yù)制膜厚達105.261am。采用氣氛退火裝置,將預(yù)制膜500℃硒化1h后,獲得力學(xué)性能良好的黃銅礦CISe薄膜,薄膜厚度約56.85μm,附著力為1級,硬度為2H。同時,CISe薄膜光吸收邊相比于CISe粉體出現(xiàn)了“紅移”現(xiàn)象,禁帶寬度為1.14eV,顯示出良好的光吸收性能,在CISe薄膜太陽能電池中具有良好的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】：軟化學(xué)法 CuInSe_2 粉體 漿料 薄膜 摻雜 形貌 光吸收
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TB34;O611.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 文獻綜述11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 CISe系光伏薄膜電池簡介12-13
• 1.2.1 CISe系材料的晶體結(jié)構(gòu)12
• 1.2.2 CISe系材料的光學(xué)性質(zhì)12
• 1.2.3 CISe系材料的電學(xué)性質(zhì)12
• 1.2.4 CISe系光伏薄膜電池結(jié)構(gòu)12-13
• 1.3 CISe系粉體的制備方法13-15
• 1.3.1 膠體化學(xué)法14
• 1.3.2 自蔓延法14
• 1.3.3 機械合金化法14-15
• 1.3.4 溶劑熱合成法15
• 1.4 納米粉體的分散穩(wěn)定機制15-17
• 1.4.1 分散劑的選擇與應(yīng)用16
• 1.4.2 表面潤濕16
• 1.4.3 團聚體解離16
• 1.4.4 分散體穩(wěn)定16-17
• 1.5 CISe系薄膜的制備方法17-20
• 1.5.1 物理真空制備法18-19
• 1.5.2 化學(xué)非真空制備法19-20
• 1.6 本文研究目的與內(nèi)容20-21
• 第二章 CuInSe_2粉體的制備與性能研究21-37
• 2.1 引言21-22
• 2.2 實驗部分22-25
• 2.2.1 實驗試劑與設(shè)備22
• 2.2.2 反應(yīng)溶劑的選取22-23
• 2.2.3 反應(yīng)活性劑的選取23
• 2.2.4 反應(yīng)路線設(shè)計23-24
• 2.2.5 CISe粉體的制備24
• 2.2.6 樣品的表征24-25
• 2.3 反應(yīng)溫度對黃銅礦型CISe粉體的影響25-30
• 2.3.1 樣品的物相分析25-26
• 2.3.2 樣品的形貌分析26-28
• 2.3.3 樣品的光吸收特性及能帶分析28-30
• 2.4 PVP用量對黃銅礦型CISe粉體的影響30-33
• 2.4.1 樣品的物相分析30-31
• 2.4.2 樣品的形貌分析31-32
• 2.4.3 樣品的光吸收特性及能帶分析32-33
• 2.5 黃銅礦型CISe粉體新穎形貌的成長機制分析33-35
• 2.6 本章小結(jié)35-37
• 第三章 CuInSe_2：M(M=Ga,S)粉體的制備與性能研究37-64
• 3.1 引言37-38
• 3.2 實驗部分38-41
• 3.2.1 實驗試劑與設(shè)備38-39
• 3.2.2 黃銅礦型CIGSe粉體的制備39
• 3.2.3 黃銅礦型CIS粉體的制備39-40
• 3.2.4 纖鋅礦型CIS、CISeS粉體的制備40-41
• 3.2.5 樣品的表征41
• 3.3 Ga摻雜黃銅礦型CIGSe粉體的研究41-47
• 3.3.1 反應(yīng)溫度對樣品物相的影響41-42
• 3.3.2 Ga摻雜量對樣品物相的影響42-43
• 3.3.3 CIGSe粉體組分的EDS分析43-45
• 3.3.4 Ga摻雜量對樣品形貌的影響45-46
• 3.3.5 Ga摻雜量對樣品的光吸收特性及能帶的影響46-47
• 3.4 物相可控型CulnS_2粉體的研究47-53
• 3.4.1 反應(yīng)體系的篩選47-48
• 3.4.2 黃銅礦型CIS粉體的物相與形貌48-50
• 3.4.3 纖鋅礦型CIS粉體的物相與形貌50-52
• 3.4.4 晶型對CIS粉體光吸收特性的影響52-53
• 3.5 S摻雜纖鋅礦型CISeS粉體的研究53-60
• 3.5.1 S摻雜量對樣品物相的影響53-54
• 3.5.2 CISeS粉體組分的EDS分析54-55
• 3.5.3 S摻雜量對樣品形貌的影響55-58
• 3.5.4 S摻雜量對樣品的光吸收特性及能帶的影響58-60
• 3.6 黃銅礦型與纖鋅礦型CIS粉體的物相轉(zhuǎn)變機制60-62
• 3.7 本章小結(jié)62-64
• 第四章 CuInSe_2漿料、薄膜的制備與性能研究64-80
• 4.1 引言64-65
• 4.2 實驗部分65-70
• 4.2.1 實驗試劑與設(shè)備65-66
• 4.2.2 CISe漿料的制備66-67
• 4.2.3 CISe薄膜的制備67-69
• 4.2.4 樣品表征69-70
• 4.3 CISe漿料分散穩(wěn)定性研究70-74
• 4.3.1 分散介質(zhì)混合比的影響70
• 4.3.2 PVP用量的影響70-72
• 4.3.3 超聲時間的影響72-73
• 4.3.4 剪切速率的影響73
• 4.3.5 剪切時間的影響73-74
• 4.4 CISe漿料綜合實驗條件與分散性評價74-75
• 4.5 CISe薄膜的表征及性能評價75-79
• 4.5.1 CISe薄膜的物相分析75-77
• 4.5.2 CISe薄膜的宏微觀形貌分析77-78
• 4.5.3 CISe薄膜的光吸收特性及能帶分析78-79
• 4.6 本章小結(jié)79-80
• 第五章 總結(jié)與展望80-82
• 參考文獻82-89
• 致謝89-90
• 附錄：攻讀碩士學(xué)位期間的主要成果90

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