Sb2S3(Se)薄膜的制备及其光伏特性研究

摘要

Sb2S3(Se)材料具有吸收系数高、带隙可调、环境友好、储量丰富等优点,用作太阳能电池吸收层具有高的光电转换效率,因此是一种具有良好应用前景的新型无机光伏薄膜材料.近年来,Sb2S3(Se)太阳能电池备受青睐,但由于技术尚未成熟,与商业化的光伏产品如与晶硅太阳能电池相比,其光伏性能尚存在很大的差距.目前,提升Sb2S3(Se)光伏器件性能的主要途径是提高Sb2S3(Se)薄膜质量,使其能够获得理论上高的光电转换能力.因此,为了提升Sb2S3(Se)薄膜结晶质量,本论文通过制备与后处理工艺优化,制得了缺陷密度低的Sb2S3(Se)薄膜.重点研究了快速硒化工艺对薄膜形貌、晶体结构和晶体缺陷的影响,提升了太阳能电池的光电转换性能.研究内容主要包括以下两个部分: (1)首先,利用真空热蒸发法制备了Sb2S3薄膜,采用快速硒化工艺对其进行了后续处理,结果表明,快速硒化能够钝化Sb2S3薄膜中的缺陷,提高Sb2S3薄膜的结晶性,并且优化能级匹配,提高载流子传输性能.当硒化时间为12min,硒化温度为400℃时,器件的光电转换效率从0.01%提升至2.13%. (2)其次,利用喷雾热解法在大气环境下制备了Sb2S3薄膜,采用快速硒化工艺对其进行后续处理,提升了薄膜的结晶质量.根据菲克第二定律研究了硒化的扩散过程,探讨了硒化对薄膜晶体结构、能带结构及载流子传输过程的影响.通过工艺优化,器件的开路电压达到了0.71V,光电转换效率达到了3.18%.进一步地,通过引入了有机缓冲层,减少了薄膜的孔洞,钝化了缺陷,器件的光电转换效率提升至4.57%.并且通过电路和掩膜版设计,利用优化后的工艺制备了尺寸为80×80mm2、有效面积为21cm2的器件,光电转换效率达到了3.19%,展现出了一定的应用前景. 综上所述,本论文对基于两种方法制得的Sb2S3(Se)薄膜进行快速硒化处理,有效提高了太阳能电池的光电转换效率,制备了大面积和高效率的器件,对低成本、大面积、高效率Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池的大规模量产与实际应用具有参考价值.

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 新型太阳能电池技术

1.2.1 染料敏化太阳能电池

1.2.2 有机薄膜太阳能电池

1.2.3 钙钛矿太阳能电池

1.2.4 新型无机薄膜太阳能电池

1.3.1 Sb2S3材料基本特性

1.3.2 Sb2S3薄膜太阳能电池的研究进展

1.3.3 Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池

1.4 本论文的主要工作

第二章 Sb2S3(Se)光伏器件薄膜的制备工艺与机理

2.1 缓冲层CdS的制备工艺及原理

2.2 真空热蒸发法制备Sb2S3薄膜

2.3 喷雾热解法制备Sb2S3薄膜

2.4 快速硒化工艺及硒化模型

2.5 本章小结

第三章 真空热蒸发法制备Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池

3.1 Sb2S3光伏器件制备

3.2.1 薄膜性能表征

3.2.2 光伏器件测试方法

3.3.1 快速硒化工艺对晶体结构的影响

3.3.2 快速硒化工艺对薄膜能带结构的影响

3.3.3 快速硒化对Sb2S3(Se)薄膜形貌的影响

3.4.1 快速硒化对光电性能的影响

3.4.2 快速硒化对载流子传输性能的影响

3.5 本章小结

第四章 喷雾热解法制备Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池

4.1 Sb2S3光伏器件制备

4.2.1 薄膜性能表征

4.2.2 光伏器件测试方法

4.3 硒化工艺对Sb2S3(Se)薄膜的影响

4.3.1 快速硒化工艺对Sb2S3(Se)薄膜形貌的影响

4.3.2 快速硒化工艺对Sb2S3(Se)晶体结构的影响

4.3.3 快速硒化工艺对Sb2S3(Se)成分分布的影响

4.3.4 快速硒化工艺对Sb2S3(Se)能带结构的影响

4.4.1 器件的性能分析

4.4.2 器件的稳定性分析

4.5 阳极缓冲对器件性能的影响

4.6 大面积Sb2S3(Se)薄膜太阳能电池制备

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文的工作总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果