多元醇溶液化学胶体墨水法CuInSe2纳米晶、薄膜制备与光伏应用

摘要

CuInSe2(CIS)材料以其优越的光电性能,做为光吸收层材料在薄膜太阳能电池领域有着重要的地位和广阔的发展前景。纳米晶墨水法是近年来迅速发展的一种低成本、非真空环境下沉积CIS薄膜的技术。本文首次选择多元醇做为反应热溶剂,采用热注入工艺,成功制备出单相、近单分散、符合化学计量比的CIS纳米粒子、纳米片晶、纳米粒子和纳米片晶的混晶形态。将 CIS纳米晶超声分散在乙醇中,制备出稳定的胶体墨水,采用浸渍-提拉成膜工艺,制备出高质量的CIS薄膜。进一步在Ar气中退火热处理,制备出高结晶性、高致密度、强烈(112)晶面取向的黄铜矿 CIS薄膜。将墨水薄膜做为吸收层材料组装了Mo/CIS/CdS/i–ZnO，n–ZnO/Ag，Al型试验光伏器,得到了一定的光电转换效率。
　　实验结果表明,以乙二醇(EG)、二乙二醇(DEG)和三乙二醇(TEG)做为反应热溶剂,水合肼(N2H4·H2O)为还原剂制备的CIS纳米粒子的分散性会随着多元醇碳链的增加得到明显改善,TEG为反应热溶剂时制备的黄铜矿 CIS纳米粒子的分散性最好,粒子呈现近球多变形形状,平均粒径约为10.5 nm,且符合1/1/2相的化学计量比。TEG体系下,提高反应温度能增加 CIS纳米粒子的平均尺寸和尺寸分布的均匀性。实验表明此体系是一个快速爆发、一步生成三元CIS晶核,迅速生长的过程,反应在1 min左右就基本结束,进一步延长反应时间对于晶粒的长大影响不大,后期的奥斯瓦尔德熟化能促使晶粒略有长大,且粒径分布更窄,接近单分散。
　　TEG体系下,以乙二胺(En)为还原剂时,改变热注入工艺程序能制备出直径为100~600 nm的表面粗糙的多晶闪锌矿CIS纳米片和200~400 nm之间、径厚比约为10的表面光滑的单晶闪锌矿 CIS纳米片,且该纳米片具有闪锌矿(111)晶面取向。通过对不同反应时间产物的XRD、EDS、TEM和HRTEM的研究表明,CIS纳米片晶是先生成二元的CuSe纳米片,随后发生相变转变为CIS纳米片晶的。PVP的存在能明显改善CIS纳米片晶的分散性,机理是通过PVP强极性的酰基官能团与 CIS纳米晶表面配位,利用空间位阻作用达到稳定分散的目的。溶液中同时加入N2H4?H2O和En时,产物为CIS纳米粒子和纳米片的混晶,粒子和片晶的相对含量可以通过调节N2H4?H2O和En的相对比例进行控制,增加En的相对含量能增加片晶的比例。
　　CIS纳米晶墨水的分散性对于最终的成膜质量影响较大,分散性好的纳米晶通过浸渍-提拉成膜后较为平整、致密且无多孔现象,在Ar气热处理后致密度和结晶性都有一定提高。CIS纳米混晶薄膜的(112)择优取向会随着片晶含量比例的增加而加大,(112)方向择优取向因子能从1.2增加至14.5。闪锌矿 CIS片晶薄膜580℃退火后会发生相变转化为热力学更稳定的黄铜矿CIS薄膜,同时薄膜的致密性和晶粒大小都有着明显的增加,且(112)晶面方向择优取向因子高达270.9。
　　将CIS纳米粒子和纳米片混晶构成的薄膜热处理后做吸收层,组装Mo/CIS/CdS/i–ZnO/n–ZnO/Ag,Al薄膜试验电池,AM1.5光照下开路电压VOC为255 mV,短路电流JSC为2.1 mA?cm-2,填充因子FF为0.29,光电转换效率达到0.16％。以580oC热处理后的CIS片晶薄膜组装的电池AM1.5光照下开路电压和短路电流能达到了249 mV和1.97 mA?cm-2,填充因子达到了0.36,光电转换效率为0.18%。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2太阳电池的分类及发展

1.3 CuInSe2薄膜材料

1.4 CuInSe2薄膜制备方法

1.5液相法合成纳米材料的机理

1.6课题的提出及创新

第二章 乙二醇和松油醇体系CuInSe2纳米晶的制备与特征

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4主要结论

第三章 多元醇体系CuInSe2纳米晶的制备与表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4主要结论

第四章 三乙二醇体系制备单分散的CuInSe2纳米片

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4主要结论

第五章 胶体墨水法制备CuInSe2薄膜及其光伏应用

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4主要结论

第六章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和科研情况说明

致谢