水溶性的Cu2ZnSnS(Se)4納米顆粒的制備及其光電化學性能研究.pdf

1、由于CZTS和CZTSe具有高的吸收系數(shù)(1×105 cm-1)，與太陽光相匹配的合適的禁帶寬度，高輻射穩(wěn)定性，較高的能量轉換效率等優(yōu)秀性質，因此可以作為下一代光伏材料。目前文獻報道了許多CZTSe納米材料的合成方法，主要包括物理方法和化學方法。其中物理方法成本較高，納米晶的尺寸和形貌難以控制，很難得到單分散性的納米晶;因為化學方法易操作，可以通過傳統(tǒng)的儀器合成，并且成本比較低廉，所以使用化學方法合成CZTSe納米材料較為廣泛?；瘜W方法

2、合成的CZTSe納米材料通常含有長鏈的有機配體包覆在納米晶的表面，有利于納米晶的均一成核，易于得到單分散的納米晶。但是，長鏈的有機配體也起到絕緣層的作用阻礙了電子傳輸和光電分離，限制了其在電子和光電器件方面的應用。在本論文中，采用配體交換法和一步法制備出了不含有機配體的水溶性的CZTSe納米晶，系統(tǒng)研究了配體交換前后對CZTSe的光電化學性能的影響。主要研究內容如下:
　　(1)采用配體交換法，使用的非金屬硫化物(NH4)2S作為

3、無機配體首次合成了純無機CZTSe納米晶。Ⅳ和霍爾效應測試結果表明純無機CZTSe薄膜具有優(yōu)秀的電子傳輸性能。純無機CZTSe薄膜作為對電極應用在染料敏化太陽能電池中，結果發(fā)現(xiàn)光電流密度迅速從配體交換前的4.48提高到14.17 mA/cm2，并獲得了7.06％能量轉換效率。研究結果表明配體交換后純無機的CZTSe薄膜作為染料敏化太陽能電池對電極可以避免高溫退火。循環(huán)伏安(CV)和電化學阻抗分析表明純無機CZTSe薄膜具有較好的催化性能

4、和良好的導電性，可以作為高效的對電極應用在染料敏化太陽能電池中。
　　(2)通過優(yōu)化實驗條件使用一步法，在過量的硒粉條件下利用金屬氯化物和硒粉反應在較低溫度下成功合成了CZTSe納米片。過量的硒粉條件下提高了金屬氯化物與硒粉的反應速率。可以通過調節(jié)滴加納米片的水相分散液的體積控制薄膜的厚度，制備不同厚度的薄膜。研究了納米片水相分散液薄膜的質量和高溫硒化對納米片薄膜結晶性的影響，結果表明配體交換后有機配體的移去，薄膜經過高溫硒化結晶

5、性提高。
　　(3)采用一步法，使用金屬乙酰丙酮化合物，在過量的硒粉條件下成功合成了CZTSe納米晶。過量的硒粉提高了金屬乙酰丙酮化合物和硒的反應速度，使納米晶在較低溫度下成核。詳細討論了配體交換前后的納米晶的形貌，表面和光電性能。結果表明合成的四角晶相結構的納米晶禁帶寬度大約1.7 eV。使用S2-配體交換后CZTSe納米晶表面的長鏈的有機分子被移去從而有效的降低了薄膜的電阻。由于CZTSe在太陽能電池中具有潛在的應用價值，利用

6、能級圖研究了吸收層和CdS層之間的相互作用。通過CV測試，發(fā)現(xiàn)配體交換前CdS的導帶低于CZTSe吸收層，CdS和CZTSe界面形成尖谷結構增加了多數(shù)載流子的復合，隨著CdS和CZTSe導帶差值的增加復合增加;然而配體交換后CZTSe薄膜的HOMO和LUMO能級向下移動，CdS和CZTSe界面能級匹配后，配體交換后尖鋒結構易于形成。這種結構相當于勢壘的作用阻止了從ZnO到CZTSe層電子的注入，因此減少了電子之間的復合。
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7、)通過簡化實驗步驟，采用一步合成法，改變實驗條件成功合成了無配體的Cu2ZnSnS4納米晶。XRD，紫外可見吸收和激光拉曼數(shù)據(jù)分析研究了的Cu2ZnSnS4納米晶的形成過程。研究結果表明當溫度升至180℃時，成功合成了鋅黃錫礦結構的Cu2ZnSnS4納米晶;通過對550℃的氬氣保護下高溫退火和550℃的氬氣保護下高溫硒化后的Cu2ZnSnS4納米晶薄膜的形貌和電化學性能分析發(fā)現(xiàn)Cu2ZnSnS4納米晶薄膜在550℃的氬氣保護下高溫硒化得