電化學沉積氧化亞銅半導體薄膜及其光伏應用

【摘要】：傳統(tǒng)化石能源的過度開發(fā)和使用所帶來的能源枯竭和環(huán)境污染是人類社會所面臨的兩大難題。開發(fā)利用清潔、可再生能源是必然趨勢,太陽能發(fā)電(光伏)正是一種理想的清潔無污染的可再生能源形式。氧化亞銅(Cu2O)是一種禁帶寬度為2.0 eV的p型直接禁帶半導體,且無毒環(huán)保,理論效率約為20%,成本便宜,具有良好的光伏應用前景。與其他制備方法相比,電化學沉積具有低溫、低成本,大規(guī)模生產前景,能在復雜形貌的襯底上沉積薄膜,和便于控制目標沉積薄膜的形貌、組成、以及摻雜等特點。本論文選擇堿性乳酸銅溶液體系,在n型TiO2納米棒陣列薄膜上電化學沉積了p型Cu2O薄膜,制備了FTO/TiO2/Cu2O/Au異質結太陽電池。應用掃描電子顯微鏡、X-射線衍射分析法、透射電鏡、紫外-可見吸收光譜、電流密度-電壓測試等手段對所制備的Cu2O/TiO2納米棒徑向異質結太陽電池的形貌特征、晶相結構和光伏效應等性能進行分析研究。主要研究內容如下： (1)利用水熱法在FTO襯底上制備了TiO2納米棒陣列,單根納米棒為四方金紅石相單晶,禁帶寬度約為3.0 eV,納米棒陣列的長度可通過水熱反應的時間來控制。 (2)使用電化學沉積的方法在TiO2陣列上成功的制備了Cu20薄膜,形成良好的p-n結接觸,并研究了電解液濃度、沉積電位、pH值和沉積時間對Cu2O薄膜的質量、形貌和厚度等的影響。電沉積過程中Cu2O薄膜是以島狀生長方式進行沉積的,且Cu2O薄膜形貌與襯底無關,測得的光學禁帶寬度約為2.0 eV。 (3)成功地制備了FTO/TiO2/Cu2O/Au異質結太陽電池,并獲得了Cu2O/TiO2體系有報道的最高光電轉換效率1.25%。高轉換效率的獲得原因主要有以下方面：一維TiO2納米棒陣列能直接充當快速的載流子傳輸通道,且擴大了p-n結面積,能更有效的在界面處分離載流子；單根TiO2納米棒都是純金紅石相單晶,可以減少一部分載流子的復合損失；電池結構采用了TCO玻璃,可以減少前電極遮擋光造成的效率損失。 【關鍵詞】：氧化亞銅半導體 電化學沉積 二氧化鈦納米棒陣列 光伏器件 太陽電池
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-13
• 1.1 研究背景和意義11
• 1.2 論文的結構11-13
• 第二章 文獻綜述13-29
• 2.1 太陽電池簡介13-19
• 2.1.1 太陽電池工作原理和性能指標13-16
• 2.1.2 太陽電池分類16
• 2.1.3 太陽電池發(fā)展歷史16-19
• 2.2 Cu_2O薄膜的制備方法19-22
• 2.2.1 Cu_2O的物理性質及晶體結構19
• 2.2.2 Cu_2O薄膜的制備方法19-22
• 2.2.3 電化學沉積Cu_2O薄膜的原理22
• 2.3 Cu_2O薄膜電池的研究進展22-28
• 2.3.1 Cu_2O同質結電池23-25
• 2.3.2 Cu_2O肖特基結電池25
• 2.3.3 Cu_2O異質結電池25-26
• 2.3.4 基于Cu_2O薄膜的非平面p-n結電池26-27
• 2.3.5 Cu_2O薄膜太陽電池研究進展小結27-28
• 2.4 本論文的研究目的、意義和主要創(chuàng)新點28-29
• 第三章 實驗設備與表征方法29-33
• 3.1 實驗設備29-30
• 3.1.1 水熱反應設備29
• 3.1.2 電化學沉積設備29-30
• 3.2 測試儀器和方法30-33
• 3.2.1 X射線衍射儀(XRD)30
• 3.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)30
• 3.2.3 透射電子顯微鏡(TEM)30-31
• 3.2.4 紫外-可見光吸收光譜(UV-Visible)31
• 3.2.5 太陽電池外量子效率測試31
• 3.2.6 太陽電池效率測試儀31-33
• 第四章 水熱法制備n型TiO_2納米棒陣列薄膜33-39
• 4.1 引言33
• 4.2 實驗水熱法制備TiO_2納米棒33-34
• 4.3 結果與討論34-37
• 4.3.1 TiO_2納米棒陣列的表征34-36
• 4.3.2 水熱反應時間對TiO_2納米棒的影響36-37
• 4.4 本章小結37-39
• 第五章 電化學沉積p型Cu_2O薄膜39-53
• 5.1 引言39
• 5.2 實驗39-40
• 5.3 結果與討論40-51
• 5.3.1 沉積電位對Cu_2O薄膜的影響40-42
• 5.3.2 不同電解液濃度對Cu_2O薄膜的影響42-44
• 5.3.3 沉積電位對Cu_2O薄膜形貌的影響44-45
• 5.3.4 電解液pH值對Cu_2O薄膜形貌的影響45-47
• 5.3.5 沉積時間對Cu_2O薄膜的影響47-49
• 5.3.6不同襯底對Cu_2O薄膜的影響49-51
• 5.3.7 電沉積Cu_2O薄膜的紫外-可見吸收圖譜51
• 5.4 本章小結51-53
• 第六章 基于Cu_2O薄膜電池的制備與表征53-65
• 6.1 引言53
• 6.2 基于Cu_2O薄膜電池的制備53-54
• 6.3 基于Cu_2O薄膜電池的表征54-63
• 6.3.1 電解液濃度對Cu_2O薄膜光電性能的影響54-55
• 6.3.2 沉積時間對電池能量轉換效率的影響55-59
• 6.3.3 沉積時間對Cu_2O/TiO_2電池量子效率的影響59
• 6.3.4 不同電極對電池效率的影響59-62
• 6.3.5 預置TiO_2濺射種子層對電池性能的影響62-63
• 6.4 本章小結63-65
• 第七章 全文結論65-67
• 參考文獻67-73
• 致謝73-75
• 個人簡歷75-77
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文77

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