电沉积法制备CuInS和ZnS太阳能电池薄膜材料与性能表征

摘要

CuInS2是一种直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度为1.5eV，光吸收系数高达105cm-1，具有高的理论光电转换效率，非常适合用作太阳能电池的吸收层材料，是当前光伏材料研究的热点。早期开发的化合物薄膜太阳能电池通常采用CdS作为缓冲层材料，它是一种对环境和人体有害的材料。在追求低成本、高效率的同时，开发无毒环保的无镉化ZnS等新型缓冲层材料替代CdS材料也是CuInS2薄膜太阳能电池研究的热点。
　　 在制备CuInS2薄膜的方法中，电沉积法是一种低温、非真空的镀膜技术，能够实现低成本、大面积镀膜。采用电沉积法连续沉积CuInS2薄膜吸收层和ZnS缓冲层材料，可简化现有真空蒸发法和磁控溅射法的制备工艺并保证薄膜的大面积均匀性，这对大面积CuInS2太阳能电池的制作乃至实现低成本大规模商业化生产都有着重要的意义。
　　 本文采用电沉积方法，分别在金属Ti片和ITO透明导电玻璃上沉积制备了太阳能电池用的CuInS2和ZnS薄膜材料，研究了沉积电位、电解质浓度以及热处理温度、热处理时间等工艺参数对薄膜物相组成、结晶状况、表面形貌、光学性能和电学性能等的影响及其相关机理。通过X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、拉曼光谱仪、紫外-可见-近红外分光光度计、四探针测试仪、霍尔效应测试系统等对薄膜的微观结构和光电性能进行了表征。主要研究结果如下：
　　 (1)深入研究了CuInS2薄膜的恒电位电沉积制备技术，优化了电沉积工艺参数，在电解质浓度分别为12.5 mmol/L CuCl2，12.5 mmol/L InCl3，125 mmol/LNa2S2O3，0.05 mol/L柠檬酸的条件下，制备出表面平整光滑，晶体颗粒分布均匀、禁带宽度为1.6eV、载流子浓度为3.737×1017 cm-3的P型的黄铜矿结构CuInS2薄膜。
　　 (2)研究了在金属Ti片上制备CuInS2薄膜的最佳热处理温度，实验结果表明，薄膜热处理温度超过400℃，由于CuInS2薄膜与Ti片的热膨胀系数的差异，导致薄膜开裂和脱落，使薄膜的质量和性能劣化。
　　 (3)采用两电极法电沉积制备ZnS薄膜，采用固态硫源硫化热处理方法，对电沉积制备的ZnS前驱体薄膜进行硫化处理，研究发现，经450℃硫化热处理4小时，可制备出可见光透过率为50％，禁带宽度约为4.0eV的纯ZnS薄膜。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1能源现状及光伏发展

1.2太阳能电池种类

1.3太阳能电池工作原理

1.4 CuInS2薄膜太阳能电池

1.4.1 CuInS2薄膜太阳能电池的发展

1.4.2 CuInS2薄膜材料的性质

1.4.3 CuInS2薄膜的制备方法

1.1.4 CuInS2薄膜太阳能电池的结构

1.5 ZnS薄膜材料的性质及发展概况

1.6论文研究目的、意义及主要内容

2实验方案及测试方法

2.1实验方案

2.1.1衬底材料的选择与制备

2.1.2电沉积制备薄膜材料

2.1.3薄膜的热处理

2.2实验设备和化学试剂

2.3薄膜测试与表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)分析

2.3.2拉曼(Raman)光谱分析

2.3.3扫描电镜(SEM)和光学显微镜分析

2.3.4 UV／VIS／NIR紫外-可见-近红外分光光度计测试

2.3.5方块电阻测试

2.3.6霍尔效应(Hall effect)测试

3 CuInS2薄膜的电沉积制备及表征

3.1沉积电位对CIS薄膜的影响

3.1.1 CIS薄膜的制备

3.1.2 CIS薄膜的XRD图谱分析

3.1.3 CIS薄膜的光学显微分析

3.2电解质浓度对CIS薄膜的影响

3.2.1柠檬酸浓度对CIS薄膜的影响

3.2.2 Na2S2O3浓度对CIS薄膜的影响

3.2.3薄膜拉曼光谱分析

3.3热处理温度对CIS薄膜的影响

3.3.1 CIS薄膜的制备

3.3.2 CIS薄膜的XRD图谱和拉曼图谱分析

3.3.3 CIS薄膜的光学显微分析

3.4薄膜光学与电学性能表征

3.5本章小结

4 ZnS薄膜的电沉积制备及表征

4.1沉积电位对ZnS薄膜的影响

4.1.1 ZnS薄膜的制备

4.1.2 ZnS薄膜的XRD图谱分析和SEM分析

4.1.3 ZnS薄膜的光学性能分析

4.2硫化热处理对ZnS薄膜的影响

4.2.1 ZnS薄膜的XRD图谱分析

4.2.2 ZnS薄膜光学显微分析

4.2.3 ZnS薄膜的光学性能分析

4.3本章小结

5结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢