超声喷雾热解法太阳能电池用CuInS2及In2S3薄膜材料的制备与性能研究

摘要

能源是人类社会生存与发展的基础之一。传统能源的使用对环境造成了很大的破坏,在这一背景下,太阳能电池逐渐成为研究开发的热点。黄铜矿结构的 CuInS2因具有高光吸收系数和高理论转换效率等优点被认为是极具潜力的一种薄膜太阳能电池的吸收层材料。In2S3无毒性,性能稳定,对可见光吸收较小,可替代CdS作为太阳能电池缓冲层材料。
　　本文采用非真空、低成本的超声喷雾热解法,以 CuCl2,InCl3和 SC(NH2)2)为起始原料,制备了太阳能电池CuInS2吸收层薄膜和In2S3缓冲层薄膜,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、四探针以及紫外-可见光分光光度计等分析测试手段,研究了衬底温度、原子比、喷口到衬底的距离、沉积时间、退火温度等对 CuInS2和 In2S3薄膜晶体结构、形貌、透光率、禁带宽度 Eg、导电性能等的影响,在此基础上制备了p-CuInS2/n-In2S3异质结并研究其结构和电学性能。
　　研究结果表明,适当的生长条件有利于制备性能优良的 CuInS2薄膜,当喷口到衬底的距离为10cm,沉积时间为10min,溶液中的Cu/In原子比为1.25,衬底温度为320℃时,制备的薄膜平整均匀、致密性好,且有沿(112)面择优生长的趋势。薄膜的方块电阻为125Ω/sq。此时制备的薄膜在可见光区的吸收率达到90％以上,禁带宽度达到1.45eV。退火温度对薄膜的性能影响明显,样品在500℃退火后,结晶性提高,晶粒生长有明显改善,而且在可见光区的吸收度有所增强。
　　制备的In2S3薄膜沿(220)晶面择优生长且无杂相出现,在衬底温度为300℃、S/In=2的条件下制备的薄膜比较均匀致密,薄膜对可见光波段有较好的光透性能,平均透光率在80%左右,禁带宽度达到2.46eV。随着退火温度从400℃升高到600℃,薄膜在可见光区的透光率逐渐下降到50%,禁带宽度下降到2.37eV。
　　制备的p-CuInS2/n-In2S3异质结呈现出一定的整流特性,正向开启电压约为0.5V;当偏置电压从-3变化到+3V时,最大正向电流分别为24.8μA、21.2μA;该异质结在反向电压为-1V时出现明显漏电流;CuInS2与In2S3界面处的界面有缺陷和晶格失配是较低电压下出现明显漏电流的主要原因。

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第一章 绪论

§1.1引言

§1.2 太阳能电池的发展概况

§1.3 太阳能电池原理

§1.4 薄膜太阳电池的发展概况

§1.5 CuInS2薄膜材料的结构和性质

§1.6 CuInS2薄膜太阳能电池的发展历程

§1.7 CuInS2薄膜的主要制备方法

§1.8 缓冲层In2S3薄膜研究概况

§1.9 本论文的研究意义和研究内容

第二章 薄膜的制备过程及性能表征

§2.1超声喷雾热解法制备CuInS2薄膜

§2.2薄膜性能表征测试设备

第三章 超声喷雾热解法CuInS2薄膜的制备与性能研究

§3.1喷口-衬底距离对CuInS2薄膜结构和形貌的影响

§3.2 沉积时间对CuInS2薄膜结构和形貌的影响

§3.3衬底温度对CuInS2薄膜结构和性能的影响

§3.4 Cu/In原子比对CuInS2薄膜结构和性能的影响

§3.5退火温度对CuInS2薄膜结构和性能的影响

§3.6 本章小结

第四章 超声喷雾热解法In2S3薄膜的制备与性能研究

§4.1 衬底温度对In2S3薄膜结构和性能的影响

§4.2 S/In比对In2S3薄膜结构和性能的影响

§4.3 退火温度对In2S3薄膜结构和性能的影响

§4.4 本章小结

第五章 超声喷雾热解法CuInS2/In2S3异质结的制备与性能研究

§5.1 样品的制备

§5.2 电极的制备

§5.3 结果与讨论

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 总结

§6.2 对后续工作的展望和建议

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果