基于溶剂热方法薄膜太阳能电池吸收层材料铜铟硒的制备和生成机理的研究

【摘要】：I-III-VI2族三元化合物CuInSe2(CIS)作为一种极具发展前景的光吸收半导体材料,由于其对太阳光的高吸收效率(α≈5×105 cm-1)、通过掺杂可调控带宽(1.02~1.67 eV)、大于23%理论太阳能电池效率以及良好的热稳定性等优点被广泛应用在太阳能电池、光电传感器、发光二极管、光电存储设备等领域。目前制备CIS的方法主要分为物理法和化学法两大类,其中物理法包括蒸发溅射、分子束外延、液相外延和气相沉积等,由于其对实验设备的要求高,投资成本大而不利于大规模生产。相反,以溶剂热为代表的化学法,不仅操作简单,设备成本低,有利于大规模制备,而且还能够方便的调控合成反应过程中不同元素的比例。但是该三元化合物的溶剂热合成存在反应效率低的问题,反应中间产物的多样性导致反应路径复杂是引起该问题的根本原因。因此本论文通过对溶剂热合成CIS三元化合物过程进行研究,运用两步反应法,探究了反应过程当中可能出现的反应路径以及不同路径对反应速率和产物的影响。主要研究成果总结如下:(1)首先运用溶剂热方法在200°С下分别进行不同化学计量比的Cu-Se和In-Se二元化合物的合成反应。通过对不同元素比例、不同反应时间得到的两类反应产物进行比较,发现无论是在贫硒还是富硒条件下,铜前驱体和硒在反应4 h时都最终合成了稳定的Cu2-xSe;而In在富硒的条件下反应12 h合成复杂的In-Se二元化合物,并且易于在贫硒的情况下水解形成In(OH)3。更重要的是,该实验结果表明铜前驱体与硒的反应要远快于铟前驱体与硒的反应速率,铜前驱体和铟前驱体对硒的动力学竞争很可能是导致合成CIS三元化合物时化学反应动力学较低的原因。(2)运用传统溶剂热方法,在乙二胺中同时加入铜源、铟源、硒源进行合成反应,在200°С下不同反应时间的结果表明,CIS三元化合物并不是由三种反应物直接反应生成,而是在反应过程当中出现了铜源、铟源对硒源的争夺,出现了一系列Cu-Se、In-Se二元化合物和In(OH)3等中间产物。通过对不同反应时间所得反应产物的分析可发现,反应过程当中存在两种可能的反应路径:CuSe2+In(OH)3→CuInSe2和CuSe+In(OH)3+Se→CuInSe2。这两种In(OH)3参与的反应路径不利于最终目标产物的生成。(3)尝试运用两步法合成CIS纳米材料,首先由铟前驱体和硒进行反应,然后再加入铜前驱体进行最终合成。相比于直接合成的方法,两步法得到的CIS具有单相的组成,反应时间也由直接合成的16 h降低到了8 h,同时,CIS尺寸和形貌也均有较大的改善,颗粒尺寸变小,分布更加均一,形貌上明显减少了团聚现象形成的大块颗粒。由两步法合成导致的化学反应效率的提高主要归因于有效调节了铜源和铟源对硒源的争夺,从而促使化学反应路径趋向于有利于合成CIS材料的方向进行。通过对不同反应时间得到的反应产物的分析可发现反应过程当中存在两种可能的新反应路径如下:CuSe+1/2In2Se3-1/2Se→CuInSe2和CuSe+InSe→CuInSe2。(4)根据以上提及的反应路径分别选用相应的反应前驱体在相同的反应条件下进行CIS纳米材料的合成,对不同反应路径进行论证。(5)运用晶格匹配的原理对不同反应路径当中所涉及的化合物InSe、In2Se3、CuSe、CuSe2、Cu2-xSe、In(OH)3、CuInSe2进行晶格分析,通过对前驱体之间的晶格参数对比分析说明反应路径发生的可能性及反应速率快慢。 【关键词】：CuInSe2 反应路径 溶剂热法 动力学竞争 晶格匹配
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O611.4

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