ZnO-CdTe核殼納米棒陣列太陽能電池的制備及性能研究.pdf

1、能源需求、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題迫切要求人們開發(fā)利用太陽能等綠色可再生能源。制備低成本高效率的太陽能電池成為大規(guī)模利用太陽能的關(guān)鍵。核殼納米棒陣列太陽能電池有抗反射和陷光效應(yīng)，可以增強(qiáng)太陽能電池的光吸收。另外，核殼納米棒陣列太陽能電池的光吸收沿軸向方向，而電荷分離沿徑向方向，有利于太陽能電池在增強(qiáng)光吸收的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的電荷分離。同時(shí)，核殼納米棒陣列結(jié)構(gòu)為分離后的載流子提供直接輸運(yùn)通道，可提升載流子輸運(yùn)收集的效率。此外，核殼納米棒陣列太

2、陽能電池可以利用低遷移率的材料，并且可以采用低成本、大規(guī)模的制備方法，易獲得高性價(jià)比的太陽能電池，因此是一種理想的太陽能電池架構(gòu)。但是，目前核殼納米棒陣列太陽能電池的性能并沒有人們預(yù)期的那么高，在界面調(diào)控、電子-空穴再復(fù)合的抑制以及材料結(jié)晶性能的優(yōu)化等方面還存在很大的提升空間。
　　n型ZnO納米棒由于其高電子遷移率，且易于通過溶液法大規(guī)模制備，經(jīng)常被用作太陽能電池中的電子輸運(yùn)材料;p型CdTe擁有單結(jié)太陽能電池理想的帶隙(～1.

3、5eV)和很大的光吸收系數(shù)，且同ZnO形成type-Ⅱ的能級接觸，有利于電子空穴對的分離。因此，我們的工作主要集中在以ZnO/CdTe核殼納米棒陣列太陽能電池為目標(biāo)，通過界面調(diào)控和優(yōu)化制備條件提升電池的光伏性能并探求相關(guān)的物理機(jī)理。本論文共分五章，各章內(nèi)容簡介如下。
　　在第一章中，介紹了太陽能電池的工作原理、表征和參數(shù)，并分析了影響太陽能電池性能的相關(guān)因素?？偨Y(jié)和比較了核殼納米棒陣列太陽能電池的優(yōu)勢、存在的挑戰(zhàn)以及我們研究工作的

4、選題。
　　在第二章中，主要研究CdS界面插入層對ZnO/CdTe核殼納米棒太陽能電池的影響。采用連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)(SILAR)方法，在水熱法生長的ZnO納米棒上直接沉積p型CdTe殼層并填滿陣列空隙，成功制備出固態(tài)無機(jī)ZnO/CdTe核殼納米棒陣列太陽能電池。隨后，在ZnO/CdTe界面用SILAR方法引入CdS層，研究了不同厚度CdS層對太陽能電池性能的影響。我們發(fā)現(xiàn):在AM1.5G模擬太陽光測試條件下，具有4nm CdS

5、界面層的ZnO/CdS/CdTe核殼納米棒陣列電池的能量轉(zhuǎn)換效率是沒有界面層電池的三倍。系統(tǒng)的分析表明:ZnO/CdS/CdTe構(gòu)成階梯狀能級排列，能夠促進(jìn)電子從CdTe分離到ZnO; CdS層能夠鈍化ZnO納米棒的表面缺陷，減少電子空穴在輸運(yùn)收集過程中的損失，提升電池的短路電流密度;此外，CdS鈍化還能提升ZnO的準(zhǔn)費(fèi)米能級，從而增大電池的開路電壓。
　　在第三章中，主要研究界面TiO2層對ZnO/CdTe太陽能電池開路電壓的影

6、響。通過原子層沉積(ALD)的方法在ZnO/CdTe的界面引入一層非晶TiO2層，研究了ZnO/TiO2/CdTe的界面特性和電池的光伏性能，尤其是電池開路電壓的關(guān)聯(lián)性。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明:TiO2層作為界面的鈍化和阻擋層，對太陽能電池的光吸收和電荷分離過程幾乎沒有影響，但能夠明顯抑制電子和空穴在ZnO/CdTe界面的再復(fù)合，從而減小電池的復(fù)合電流，延長電子載流子的壽命，大幅提升電池的開路電壓和光電轉(zhuǎn)換性能。在AM1.5G模擬太陽光測試條件

7、下，ZnO/TiO2/CdTe電池光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)ZnO/CdTe電池的六倍。
　　在第四章中，側(cè)重于ZnO/CdTe核殼納米棒陣列太陽能電池性能的優(yōu)化。首先，我們研究了不同含量CdCl2的處理對CdTe殼層的結(jié)晶質(zhì)量和太陽能電池性能的影響。其次，我們研究了在用SILAR生長CdTe時(shí)，其第一個(gè)循環(huán)順序（Cd-＞Te和Te-＞Cd）對電池性能的影響。第三，我們研究了不同溫度退火對電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)350℃退火條件最好，能夠使電池