FeS2薄膜的电沉积制备与光电性能研究

摘要

黄铁矿型FeS2(pyrite)因其适当的禁带宽度(Eg=0.95eV)与较高的光吸收系数(105cm-1)，十分适合用作太阳能电池的吸收层材料。该材料还具有廉价、无毒的特点，受到了光伏的行业的广泛关注。目前制备FeS2一般使用气相沉积法等较为昂贵且不利于大规模工业生产的方法，但用较为高效廉价的电沉积法制备FeS2薄膜常常会严重偏离化学计量比。本文采用电沉积方法制备Fe-S的前驱体薄膜，再将样品硫化退火，以期得到成分性能都较为理想的薄膜材料。
　　论文首先系统地研究了电沉积Fe-S前驱体薄膜的制备过程，在恒电位条件下，分别使用FeSO4及(NH4)2 Fe(SO4)2两种盐为铁源，以Na2S2O3为硫源，探究了溶液组分、pH值、沉积电位、沉积时间对薄膜成分的影响。发现以FeSO4为铁源时，沉积溶液组成为0.01MFeSO4、0.02M Na2S2O3、pH=4.0，在-1.0V(vs.SCE)电位下经900s电沉积可以得到S∶Fe=1.25∶1的非晶态薄膜;以(NH4)2 Fe(SO4)2做为铁源时，沉积溶液组成为0.01MFeSO4、0.02M(NH4)2Fe(SO4)2、pH=3.8,在-0.9V(vs.Ag/AgCl)电位下经800s电沉积可以得到S∶Fe=1.29∶1的非晶态薄膜，且薄膜的成分更容易稳定。
　　经硫化退火后，发现两种铁源电沉积得到的前驱体薄膜，退火后的FeS2薄膜的结晶质量及Fe与S元素的比例都取决于退火温度以及退火时间。XRD和Raman测试结果表明在500℃下硫化退火1h的薄膜呈纯净的黄铁矿FeS2晶型。以FeSO4为铁源硫化得到的薄膜为p型半导体，禁带宽度为0.95eV，载流子浓度为3.922×1017cm-3，载流子迁移率为8.236cm2·V-1·s，电阻率为0.1060 Ohm·cm，可认为性能良好，适合用于制备太阳能电池。以(NH4)2 Fe(SO4)2为铁源硫化得到的薄膜同样也是p型半导体，禁带宽度为0.97eV，载流子浓度为2.082×1017cm-3，载流子迁移率为7.716cm2·V-1·s，电阻率为0.3885Ohm·cm，可认为性能良好，同样适合用于制备太阳能电池。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳能电池简介

1．2．1 太阳能电池的种类

1．2．2 无机薄膜太阳能电池的工作原理

1．3 FeS2的晶体结构与性能

1．3．1 FeS2的晶体结构

1．3．2 FeS2的性能

1．4 FeS2薄膜制备方法

1．4．1 直接蒸镀法

1．4．2 分子束外延法

1．4．3 水热法

1．4．4 热注入法

1．4．5 铁膜硫化法

1．4．6 金属有机气相沉积法

1．4．7 溶胶-凝胶法

1．4．8 电沉积方法

1．5 研究目的及意义

第二章 实验部分

2．1 试验药品与材料

2．1．1 试验商品与材料

2．1．2 试验仪器

2．2 试验方法

2．2．1 试验装置

2．2．2 电沉积溶液的配制

2．2．3 ITO阴极的处理

2．3 试验步骤

2．3．1 电沉积试验

2．3．2 硫化步骤

2．4 分析测试手段

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 电子能谱仪(EDS)

2．4．3 X射线衍射(XRD)

2．4．4 Raman光谱分析

2．4．5 紫外-可见-近红外分光光度计(UV／VIS／NIR)测试

2．4．6 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

2．4．7 霍尔效应(Hall effect)测试

第三章 以FeSO4为铁源的Fe-S前驱体薄膜的电沉积

3．1 沉积电位范围的确定

3．2 沉积液组分浓度对薄膜成分的影响

3．3 沉积液的pH值对薄膜成分的影响

3．4 沉积电位、时间对薄膜成分的影响

3．5 薄膜的物相分析

3．6 本章小结

第四章 以(NH4)2 Fe(SO4)2为铁源的Fe-S前驱体薄膜的电沉积

4．1 沉积电位范围的确定

4．2 沉积液组分浓度对薄膜成分的影响

4．3 沉积液的pH值对薄膜成分的影响

4．4 沉积电位、时间对薄膜成分的影响

4．5 薄膜的物相分析

4．6 本章小结

第五章 硫化退火对FeS2薄膜结构与性能的影响

5．1 硫化温度对FeSO4制备的前驱薄膜的影响

5．1．1 硫化温度对元素组成的影响

5．1．2 硫化温度对薄膜形貌的影响

5．1．3 硫化温度对薄膜物相及晶型的影响

5．1．4 硫化温度对薄膜光学性能的影响

5．1．5 硫化温度对薄膜电学性能的影响

5．2 硫化时间对FeSO4制备的前驱薄膜的影响

5．2．1 硫化时间对元素组成的影响

5．2．2 硫化时间对薄膜形貌的影响

5．2．3 硫化时间对薄膜物相及晶型的影响

5．2．4 HRTEM图谱分析

5．2．5 硫化时间对薄膜光学性能的影响

5．2．6 硫化时间对薄膜电学性能的影响

5．3 硫化温度对(NH4)2 Fe(SO4)2制备的前驱薄膜的影响

5．3．1 硫化温度对元素组成的影响

5．3．2 硫化温度对薄膜形貌的影响

5．3．3 硫化温度对物相及晶型的影响

5．3．4 硫化温度对薄膜光学性能的影响

5．3．5 硫化温度对薄膜电学性能的影响

5．4 硫化时间对(NH4)2 Fe(SO4)2制备的前驱薄膜的影响

5．4．1 硫化时间对薄膜元素组成的影响

5．4．2 硫化时间对薄膜形貌的影响

5．4．3 硫化时间对薄膜物相及晶型的影响

5．4．4 HRTEM图谱分析

5．4．5 硫化时间对薄膜光学性能的影响

5．4．6 硫化时间对薄膜电学性能的影响

5．5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

导师及作者简介