太阳电池吸收层氧化亚铜及铜锌锡硫材料的制备与性能研究

摘要

近年来，太阳能作为一种清洁的可再生能源成为世界各国寻求经济发展的新动力，其中太阳能光伏发电以对装置和环境的基本无选择性，且可就近发电等优势而备受推崇。但与传统发电技术竞争还是存在着差距，同时有些电池制备工艺中还存在环境污染问题严重阻碍了太阳能光伏发电的大规模应用。为此，探索和开发高效、低成本、环保型的太阳能光伏吸收材料与器件有着极其重大的意义。
　　氧化锌是Ⅱ-Ⅵ族n型氧化物直接带隙半导体材料，带宽为3.37eV，激子结合能约为60meV，具有很高化学稳定性和热稳定性。由于其良好的光电性能优势，广泛应用于紫外激光器、发光二极管、气敏传感器、太阳能电池等领域。但是，空位和间隙的存在增加了ZnO晶格内本征缺陷，致使很难制备p型ZnO。而氧化亚铜为一种直接带隙的p型半导体材料，光学带隙约为2.0eV，在自然界中储量丰富，激子传输能量和吸收系数较高，已成为制作太阳能电池的理想材料。不足之处在于很难通过掺杂得到n-Cu2O同质结太阳电池。本论文中，在ZnO纳米棒阵列上沉积Cu2O制备三维异质结，构建了n-ZnO/p-Cu2O薄膜异质结太阳能电池并测定了其性能。
　　直接禁带半导体材料铜锌锡硫(CZTS)四元硫化物是近年来研究较多的具有锌黄锡矿结构的化合物半导体。其光吸收系数大于104cm-1，禁带宽度为1.5eV，且CZTS组成元素储量丰富、无毒无害，是太阳能电池理想的候选材料，使其在薄膜太阳能电池中迅速崛起。本文采用非真空设备，选用了一步电化学沉积法和溶胶-凝胶法制备CZTS薄膜，并使用XRD、Raman、SEM、EDS、紫外-可见等表征手段对其结构、形态、组成成分、光学性质进行了分析。全文主要包括以下五个部分内容:
　　第一部分为绪论，简要介绍了太阳能电池，着重介绍了CZTS的基本性质及其制备方法。
　　第二部分简要介绍了ZnO纳米棒阵列的制备方法及其沉积温度对其形貌的影响。研究结果表明:沉积温度在85℃时，纳米棒平均直径在100-150nm，长度在1.5um，长径比大于10，分布均匀且排列紧密，都为六方纤锌矿结构，沿c轴方向择优生长。重点研究了Cu2O薄膜电沉积过程中沉积电压、pH值、沉积时间、电解液温度等生长条件对Cu2O薄膜的形貌、晶体结构等性能的影响。ZnO/Cu2O异质结结构中Cu2O生长在ZnO纳米棒阵列项部，其间的空隙均被填满;最后组装了Au/Cu2O/ZnO/ITO异质结太阳能电池，所制备的电池具有良好的pn结特性，最高的光电转换效率达到1.2％，对应的开路电压、电流密度分别为:250mV、7.551mA/cm2。
　　第三部分采用电化学工作站中的恒电位模式在ITO基底一步法电沉积铜锌锡硫薄膜，采取两种浓度溶液进行研究。实验确定了最佳薄膜沉积条件:0.02MCuSO4，0.01M ZnSO4，0.01M SnCl2，0.01M Na2S2O3，0.2M柠檬酸三钠，0.1M酒石酸的电解液中，在恒电压为-1.2V，沉积20min，通过N2氛围500℃退火处理1h。所制备出的薄膜表面规整，存在一定间隙的缺陷，元素比例虽偏离理想化学计量比，但带隙值接近1.5eV，为具有锌黄锡矿结构CZTS薄膜，可应用于薄膜太阳能电池的吸收层。
　　第四部分利用溶胶凝胶法结合旋涂技术与热处理工艺得到CZTS薄膜。比较不同热处理温度下晶化的CZTS薄膜性质，实验结果表明，N2氛围450℃进行热处理得到的薄膜样品的衍射峰对应锌黄锡矿结构CZTS的(112)(200)(220)和(312)晶面，薄膜表面排布紧密，虽存在一定空隙，但性能表现较好，禁带宽度为1.49eV。
　　第五部分是总结与展望，主要是对本文的一些工作进行总结，并对未来工作做了进一步规划。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池简介

1．1．1 太阳能电池工作原理

1．1．2 太阳能电池结构

1．1．3 太阳能电池分类

1．2 CZTS薄膜太阳电池

1．2．1 CZTS化合物半导体的由来

1．2．2 CZTS材料性质

1．2．3 CZTS薄膜太阳能电池结构

1．3 CZTS薄膜制备方法

1．3．1 真空法

1．3．2 非真空法

1．4 论文选题意义、研究目标与主要工作

参考文献

第二章 ZnO／Cu2O的制备及其性质研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料与仪器设备

2．2．2 ZnO纳米棒阵列的制备

2．2．3 ZnO／Cu2O异质结的制备及太阳能电池组装

2．2．4 材料表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 ZnO纳米棒形貌分析

2．3．2 沉积电位对Cu2O薄膜的影响

2．3．3 沉积电位对Cu2O薄膜形貌的影响

2．3．4 电解液pH值对Cu2O薄膜形貌的影响

2．3．5 沉积时间对Cu2O薄膜形貌的影响

2．3．6 沉积温度对Cu2O薄膜形貌的影响

2．3．7 ZnO／p-Cu2O异质结微观形貌

2．3．8 太阳能电池性能测试

2．4 本章小结

参考文献

第三章一步电沉积法制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)薄膜及性质研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 实验过程

3．2．3 材料的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 循环伏安法

3．3．2 恒电位沉积铜锌锡硫膜层

3．3．3 XRD结构分析

3．3．4 拉曼组分分析

3．3．5 SEM形貌分析

3．3．6 薄膜组份分析

3．3．7 CZTS薄膜紫外-可见测试

3．4 本章小结

参考文献

第四章 溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4)薄膜及性质研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 实验过程

4．2．3 材料的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 物相结构分析

4．3．2 拉曼表征分析

4．3．3 CZTS薄膜形貌分析

4．3．4 CZTS薄膜成分分析

4．3．5 CZTS薄膜材料的光学性质分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 全文总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

攻读硕士研究生期间发表及待发表的论文

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