太陽(yáng)電池吸收層氧化亞銅及銅鋅錫硫材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，太陽(yáng)能作為一種清潔的可再生能源成為世界各國(guó)尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電以對(duì)裝置和環(huán)境的基本無(wú)選擇性，且可就近發(fā)電等優(yōu)勢(shì)而備受推崇。但與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)還是存在著差距，同時(shí)有些電池制備工藝中還存在環(huán)境污染問題嚴(yán)重阻礙了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。為此，探索和開發(fā)高效、低成本、環(huán)保型的太陽(yáng)能光伏吸收材料與器件有著極其重大的意義。
　　氧化鋅是Ⅱ-Ⅵ族n型氧化物直接帶隙半導(dǎo)體材料，帶寬為3.37eV，激子結(jié)合能約為6

2、0meV，具有很高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。由于其良好的光電性能優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于紫外激光器、發(fā)光二極管、氣敏傳感器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。但是，空位和間隙的存在增加了ZnO晶格內(nèi)本征缺陷，致使很難制備p型ZnO。而氧化亞銅為一種直接帶隙的p型半導(dǎo)體材料，光學(xué)帶隙約為2.0eV，在自然界中儲(chǔ)量豐富，激子傳輸能量和吸收系數(shù)較高，已成為制作太陽(yáng)能電池的理想材料。不足之處在于很難通過摻雜得到n-Cu2O同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。本論文中，在ZnO納米棒陣列上沉積

3、Cu2O制備三維異質(zhì)結(jié)，構(gòu)建了n-ZnO/p-Cu2O薄膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池并測(cè)定了其性能。
　　直接禁帶半導(dǎo)體材料銅鋅錫硫(CZTS)四元硫化物是近年來(lái)研究較多的具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體。其光吸收系數(shù)大于104cm-1，禁帶寬度為1.5eV，且CZTS組成元素儲(chǔ)量豐富、無(wú)毒無(wú)害，是太陽(yáng)能電池理想的候選材料，使其在薄膜太陽(yáng)能電池中迅速崛起。本文采用非真空設(shè)備，選用了一步電化學(xué)沉積法和溶膠-凝膠法制備CZTS薄膜，并使用XRD、

4、Raman、SEM、EDS、紫外-可見等表征手段對(duì)其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、組成成分、光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。全文主要包括以下五個(gè)部分內(nèi)容:
　　第一部分為緒論，簡(jiǎn)要介紹了太陽(yáng)能電池，著重介紹了CZTS的基本性質(zhì)及其制備方法。
　　第二部分簡(jiǎn)要介紹了ZnO納米棒陣列的制備方法及其沉積溫度對(duì)其形貌的影響。研究結(jié)果表明:沉積溫度在85℃時(shí)，納米棒平均直徑在100-150nm，長(zhǎng)度在1.5um，長(zhǎng)徑比大于10，分布均勻且排列緊密，都為六方纖鋅礦結(jié)

5、構(gòu)，沿c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。重點(diǎn)研究了Cu2O薄膜電沉積過程中沉積電壓、pH值、沉積時(shí)間、電解液溫度等生長(zhǎng)條件對(duì)Cu2O薄膜的形貌、晶體結(jié)構(gòu)等性能的影響。ZnO/Cu2O異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中Cu2O生長(zhǎng)在ZnO納米棒陣列項(xiàng)部，其間的空隙均被填滿;最后組裝了Au/Cu2O/ZnO/ITO異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，所制備的電池具有良好的pn結(jié)特性，最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.2％，對(duì)應(yīng)的開路電壓、電流密度分別為:250mV、7.551mA/cm2。
　　第

6、三部分采用電化學(xué)工作站中的恒電位模式在ITO基底一步法電沉積銅鋅錫硫薄膜，采取兩種濃度溶液進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)確定了最佳薄膜沉積條件:0.02MCuSO4，0.01M ZnSO4，0.01M SnCl2，0.01M Na2S2O3，0.2M檸檬酸三鈉，0.1M酒石酸的電解液中，在恒電壓為-1.2V，沉積20min，通過N2氛圍500℃退火處理1h。所制備出的薄膜表面規(guī)整，存在一定間隙的缺陷，元素比例雖偏離理想化學(xué)計(jì)量比，但帶隙值接近1.5eV

7、，為具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS薄膜，可應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層。
　　第四部分利用溶膠凝膠法結(jié)合旋涂技術(shù)與熱處理工藝得到CZTS薄膜。比較不同熱處理溫度下晶化的CZTS薄膜性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N2氛圍450℃進(jìn)行熱處理得到的薄膜樣品的衍射峰對(duì)應(yīng)鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)CZTS的(112)(200)(220)和(312)晶面，薄膜表面排布緊密，雖存在一定空隙，但性能表現(xiàn)較好，禁帶寬度為1.49eV。
　　第五部分是總結(jié)與展望，主要是對(duì)本