铜基化合物薄膜太阳能电池光吸收层材料研究

摘要

铜基化合物薄膜（包括CuInSe2、CuInS2、CuIn1-xGaSe2和Cu2ZnSnS4等）太阳能电池是极具潜力的低成本的薄膜电池。特别是铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4，简称CZTS）薄膜吸收系数高，禁带宽度为1.5eV，接近单结太阳能电池的理想最佳带隙值，成本低且不含有毒元素，被认为是继锑化镉和铜铟镓硒薄膜之后又一适合作为薄膜太阳能电池吸收层的材料，因此开展CZTS薄膜材料和CZTS薄膜太阳能电池的研究具有重要的学术意义和应用价值。
　　溶剂热工艺在湿化学合成纳米材料方面具有其独特的优势，易实现粒径均匀可控、化学组分可控的纳米颗粒粉末的制备。与传统的蒸发和溅射等真空制备技术相比，可以大大降低生产成本、更适合大规模工业化生产。因此本文采用溶剂热合成技术，制备CuInS2(CIS)和Cu2ZnSnS4粉末，并在此研究基础上，采用溶剂热合成技术直接在透明导电玻璃衬底上制备了CIS和CZTS薄膜，采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱，能量色散谱和紫外可见光谱等测试分析技术，研究了工艺条件对CIS和CZTS粉末和纳米晶薄膜的结构、形貌、组分河光学性能的影响规律;分析了溶剂热合成技术制备CIS和CZTS纳米颗粒和纳米晶薄膜的反应机理。并制备了具有FTO玻璃/CZTS或CIS/CdS/i-ZnO/Al-ZnO/Ag结构的薄膜太阳能电池，测试分析了电池的光伏性能。研究结果总结如下:
　　1.溶剂热合成技术制备的CIS粉末具有黄铜矿结构，光学带隙为1.52 eV，反应前驱物中硝酸铟浓度或硫脲浓度对组成粉末的颗粒尺寸、平均晶粒大小和Cu/In/S原子比率有较大影响;CIS粉末中Cu∶In∶S的原子比接近理想的原子配比1∶1∶2。
　　2.采用溶剂热合成技术，直接在FTO衬底上制备出由垂直FTO衬底生长的厚度约30nm的纳米片组成的CIS薄膜和由平铺在FTO衬底上的纳米盘组成的CIS薄膜，随着硝酸铟浓度的增加，CIS薄膜由片状结构变成盘状结构。而不同硫脲浓度下制备的CIS薄膜都是由许多纳米片构成的，但随着硫脲浓度的升高，纳米片的大小逐渐减小，且密度交大。CIS薄膜具有黄铜矿结构，禁带宽度为1.44 eV，但Cu∶In∶S的原子比与理想的成分比1∶1∶2偏差较大。
　　3.溶剂热合成技术制备的CZTS球形纳米颗粒的直径为190-300nm，每个球形颗粒是由很多平均尺寸大约24nm的纳米晶构成。纳米晶具有锌黄锡矿结构，其禁带宽度约为1.55eV。反应溶液中硫脲或ZnCl的浓度对球形纳米颗粒的直径、形貌和Cu∶ Zn∶Sn∶S原子比有较大影响。
　　4.溶剂热合成技术直接在FTO衬底上制备了具有锌黄锡矿结构的CZTS薄膜，CZTS薄膜是由大量致密的类球状的纳米粒子组成的，球型颗粒的直径约300-500nm，每个球型颗粒是由许多晶粒大小约12nm的纳米晶组成的。CTAB对FTO衬底上CZTS薄膜的形成起重要作用。
　　5.CIS薄膜太阳能电池的短路电流密度Jsc为0.34 mA/cm2、开路电压Voc为0.17V、填充因子FF为0.26，光电转化效率为0.051％; CZTS薄膜太阳能电池的开路电压为0.22V，短路电流密度为1.40 mA.cm-2，填充因子为0.26，光电转换效率最高为0.16％。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池概述

1．1．1 太阳能光伏技术的研究背景及意义

1．1．2 太阳能电池的发展现状

1．2 太阳能电池工作原理

1．2．1 半导体pn结

1．2．2 光生伏特效应

1．2．3 太阳能电池光电转换效率分析

1．3 薄膜太阳能电池的分类和特点

1．3．1 硅基薄膜太阳能电池

1．3．2 有机薄膜太阳能电池

1．3．3 无机化合物半导体薄膜太阳能电池

1．4 铜基化和物薄膜太阳能电池

1．4．1 铜基化合物的分类

1．4．2 铜基化合物的制备方法

1．4．3 铜基化合物薄膜太阳能电池的基本结构

1．4．4 铜基化和物薄膜太阳能电池各组成部分介绍

1．4．5 铜基薄膜太阳能电池的制备流程

1．4．6 铜基薄膜太阳能电池的发展现状

1．5 本论文的研究目标和主要工作

第二章 溶剂热合成技术制备CuInS2粉末

2．1 溶剂热合成技术

2．2 溶剂热合成技术制备CuInS2粉末

2．2．1 实验仪器和材料

2．2．2 CuInS2粉末的制备工艺

2．3 CuInS2粉末的性能分析

2．3．1 CuInS2颗粒的表征方法

2．3．2 硝酸铟浓度对CIS粉末性能的影响

2．3．3 硫脲浓度对CIS粉末性能的影响

2．4 丝网印刷技术制备CuInS2薄膜

2．4．1 玻璃衬底的清洗和Mo背电极的制备

2．4．2 CuInS2浆料的制备

2．4．3 丝网印刷技术制备CuInS2薄膜

2．5 本章小结

第三章 溶剂热合成技术制备CuInS2薄膜及其性能研究

3．1 引言

3．2 溶剂热技术直接在FTO衬底上制备CuInS2薄膜

3．2．1 CuInS2薄膜的制备

3．2．2 CIS薄膜性能表征

3．3 CuInS2薄膜性能分析

3．4 CIS薄膜生长机理分析

3．5 CIS薄膜太阳能电池的光伏特性研究

3．5．1 CIS薄膜太阳能电池的制备与测试

3．5．2 CIS薄膜太阳能电池的光伏性能

3．6 本章小结

第四章 Cu2ZnSnS4纳米颗粒的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 CZTS纳米颗粒的制备与测试

4．2．1 实验仪器和材料

4．2．2 CZTS颗粒的制备

4．3 PVP-乙二醇体系制备的CZTS纳米颗粒性能表征

4．3．1 CZTS纳米颗粒的结构、成分和形貌分析

4．3．2 反应溶液中硫脲和氯化锌的量对CZTS纳米颗粒性能的影响

4．3．3 CZTS球形纳米颗粒的形成机理分析

4．4 CTAB-乙醇体系制备的CZTS纳米颗粒的性能表征

4．5 本章小结

第五章 溶剂热合成技术制备Cu2ZnSnS4薄膜及性能研究

5．1 引言

5．2 CTAB-乙醇体系制备CZTS纳米晶薄膜

5．2．1 FTO衬底的清洗

5．2．2 CZTS纳米晶薄膜的制备工艺流程

5．2．3 CZTS纳米晶薄膜的性能表征

5．2．4 CTAB-乙醇体系制备的CZTS薄膜性能分析

5．2．5 硫脲浓度对CZTS薄膜性能影响

5．2．6 CTAB浓度对CZTS薄膜性能影响

5．2．7 草酸浓度对CZTS薄膜性能影响

5．2．8 CZTS薄膜的再硫化

5．2．9 CZTS薄膜太阳能电池的制备和光伏特性能

5．3 PVP-乙二醇体系制备CZTS薄膜性能表征

5．3．1 样品制备工艺

5．3．2 薄膜性能表征

5．4 本章小结

总结与展望

特色与创新之处

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢