电沉积法制备CuInS2薄膜及其结构和光电特性研究

摘要

在太阳能电池领域，越来越多的研究兴趣转向薄膜太阳能电池，电池的薄膜化是其必然发展趋势；从降低成本的角度考虑，薄膜太阳能电池被认为是最有希望取代单晶硅太阳能电池而成为光伏发电的主体。其中，黄铜矿结构的薄膜太阳能电池最为引人注目，是目前转换效率唯一和单晶硅太阳能电池可比的薄膜太阳能电池，具有广阔的应用前景。当前，利用真空沉积技术制备得到高效率的CuInGaSe2（CIGSe）薄膜太阳能电池，其光电转换效率已高达20.8％。其同属的 CuInS2（CIS）薄膜太阳能电池其最高光电转换效率约为12.5%，尽管其光电转换效率当前远低于CIGSe薄膜太阳能电池。但与CIGSe薄膜太阳能电池相比，其最大的优势在于避免了有毒元素 Se的使用。CIS光吸收层材料是一种直接带隙半导体材料，具有1.50 eV的禁带宽度和高达~105cm-1的光吸收系数，理论计算表明其光电转换效率可以达到27%~32%。当前CIS薄膜太阳能电池的转换效率远远低于理论预测值，其中重要的制约因素在于高质量的CIS光吸收层材料难以获取并且其结构、组分和光电性质之间的关系尚不十分明确。因此，在该研究工作中，我们致力于探究新的制备方法，并详细地研究了不同制备参数与薄膜的结构、形貌和性质之间的关联。我们主要开展了以下三个方面的探究工作：
　　1.脉冲恒电流电化学沉积制备Cu薄膜
　　利用脉冲恒电流模式在FTO基底上电化学沉积高质量的Cu薄膜，通过改变沉积参数，制备平整、均匀、致密的Cu薄膜。详细研究了沉积电流、占空比、脉冲频率、络合剂浓度等沉积参数对薄膜形貌的影响。结果表明：沉积电流和占空比可以很好地调控薄膜的形貌，脉冲频率越大则沉积的薄膜质量越差。
　　2. Cu/In叠层及Cu-In合金薄膜的构筑
　　首先，利用脉冲恒电流模式在FTO基底上电化学沉积一层均匀致密的Cu薄膜；然后，利用同样的沉积模式在Cu层薄膜上电沉积In薄膜，形成Cu/In双层薄膜；最后，把Cu/In双层薄膜放置在真空管式炉中退火，形成Cu-In合金薄膜。探究沉积电流对电沉积In薄膜的影响；In的沉积时间对Cu-In合金薄膜的组分比的影响；以及退火温度和退火时间对形成Cu-In合金薄膜的形貌和结构的影响。研究结果表明：随着沉积电流的增大，In薄膜的质量明显提高，但沉积电流过大时，会导致严重的析氢反应；合金化时，先后进行120℃低温、250℃高温分段退火处理，可得到完全合金化的薄膜。
　　3.高温硫化Cu-In合金薄膜制备CIS薄膜
　　首先，利用脉冲恒电流模式在FTO基底上电化学沉积均匀致密的Cu/In双层薄膜；然后，真空退火形成 Cu-In合金；最后，在含有固态 S粉的管式炉中高温硫化，形成CIS薄膜。详细研究了不同的硫化温度和硫化时间对CIS薄膜的形貌、结构、组分、光电特性等方面的影响。结果表明：600℃硫化60 min制备得到的CIS薄膜与基底结合紧密，并且具有更好的结晶性和光电特性。其化学计量比接近理想的1:1:2，拉曼光谱表明所制备的CIS薄膜不含CuxS1-x等杂相。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 太阳能电池的分类

1.3 CuInS2基薄膜太阳能电池的概述

1.4 CuInS2薄膜太阳能电池的发展历史及研究的现状

1.5 CuInS2薄膜的制备方法

1.6 影响脉冲电沉积CuInS2薄膜的实验条件

1.7 目前存在的主要问题

1.8 选题依据和研究内容

参考文献

第二章 脉冲恒电流模式电沉积法制备Cu层薄膜

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 脉冲电沉积Cu/In叠层制备Cu-In合金薄膜

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 CuInS2薄膜的制备及其光电特性研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

总结

硕士期间发表和已完成的论文与工作

致谢