新型半导体光吸收材料的制备、表征及其在薄膜太阳能电池中的应用

【摘要】：面对日益严峻的环境污染和能源短缺问题,如何利用取之不尽、用之不竭的太阳能,发展新型的低成本、高效率的太阳能电池,成为新材料和新能源领域研究的一个热点。一方面,Cu2ZnSnS4(CZTS)和Cu2ZnSnSe4(CZTSe)材料以其优异的光吸收性能、地壳中储量丰富的元素组成,在太阳能电池领域拥有广泛的应用前景。然而采用传统的真空法制备,设备成本高,工艺也较为复杂,不适合大规模生产。采用传统溶液法,需要用到一种肼的剧毒性溶剂,存在安全隐患,也不利于工业化生产。因此,发展一种经济高效的Cu2ZnSn(SxSe1-x)4(CZTSSe)光吸收层制备技术,对于获得廉价高效的薄膜太阳能电池至关重要。另一方面,CH3NH3PbI3钙钛矿材料具有光吸收性强、载流子输运率高和缺陷容忍度大等优点,成为当前薄膜太阳能电池领域的关注焦点,其最高光电转换效率已接近20%。然而,其稳定性和工艺的可重复性还有待改进。针对以上提到的一些问题,本论文聚焦于薄膜太阳能电池中的重要单元一新型半导体光吸收层的制备与光学特性的研究。发展了一种新颖简单的“两步法”来制备CZTSSe纳米颗粒,重点研究了硫化时间对CZTSSe纳米颗粒的结构、组成和光学带隙的影响,初步探索了CZTSSe薄膜太阳能电池的制备工艺。同时还深入研究了CH3NH3PbI3-xClx钙钛矿薄膜太阳能电池的制备工艺及其性能,探索了两步沉积法和一步沉积法制备工序,重点研究了Cl元素的掺杂、空穴传输层P3HT的引入对材料结构、形貌、成分及器件性能的影响。主要进展如下：1、发展了一种溶剂热法和硫化工艺相结合的“两步法”,制备了一系列具有良好结晶性和单相结构的CZTSSe纳米颗粒(粒径约20nm左右)。一系列分析表征结果证实：通过调控不同硫化时间,离子半径较大的Se2-会逐渐被离子半径较小的S2-所取代,S组成含量x从0增加到0.76,晶胞参数a和c变小,形成四方相结构的CZTSSe固溶体。由于Se2-和S2-的共存,其拉曼图谱表现出一种典型的A1双模式行为,且峰位置随着硫化时间增加连续移向高频,光学带隙从CZTSei的0.91 eV增加到1.30eV,适合用做太阳能电池的吸收层材料。2、采用颗粒墨水法和H2S硫化工艺相结合,制备了四方相结构的CZTSSe薄膜,初步探索了CZTSSe薄膜太阳能电池的制备工艺,获得了结构为底电极(Mo)/吸收层(CZTSSe)/缓冲层(CdS)/本征ZnO层/顶电极Al-ZnO的CZTSSe光伏器件,测试了器件的性能参数,其开路电压VOC=76.8 mv,短路电流Jsc=0.348 mA/cm2,填充因子FF=26.57%。器件的制作工艺还需进一步优化。3、采用两步沉积法制备了四方相钙钛矿结构的CH3NH3PbI3薄膜,采用一步沉积法制备了Cl掺杂的CH3NH3PbI3-xClx薄膜(x=0.19)。掺/入Cl元素后,晶粒明显变小,CH3NH3PbI3-xClx薄膜成膜性得以改善,增加了对可见光的吸收。引入空穴传输层P3HT后,在450-550nm波段范围内有很强的吸收峰,进一步提高了器件对于太阳光的利用率。4、制备了结构为FTO/TiO2/CH3NH3PbI3-xClx/Au的钙钛矿薄膜太阳能电池。同未掺杂的CH3NH3PbI3相比,钙钛矿层掺入Cl元素后,Voc增加到402 mV,Jsc增为0.101mA/cm2,填充因子FF增大到58.73%,光电转换效率η为0.02%。C1元素的引入,改善了载流子输送特性,增加电子/空穴对的扩散长度,提高了器件的光电转换效率。在CH3NH3PbI3-xClx层上进一步引入P3HT空穴传输层,太阳能电池的开路电压和短路电流进一步提高,Voc为558 mV,Jsc为0.251 mA/cm2,FF是35.94%,η增为0.05%。表明P3HT层促进电子/空穴对在界面更好地分离,减少了电荷复合现象的发生,从而使电池的性能得到了提高。 【关键词】：CZTSSe纳米颗粒 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x 溶剂热法 硫化工艺 两步/一步沉积法 薄膜太阳能电池
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-36
• 1.1 太阳能电池简介13-19
• 1.1.1 太阳能电池的发展13-14
• 1.1.2 太阳能电池的基本原理14-15
• 1.1.3 太阳能电池的等效电路图15-16
• 1.1.4 太阳能电池的性能参数16-17
• 1.1.5 太阳能电池的分类17-19
• 1.2 Cu_2ZnSn(S,Se)_4薄膜太阳能电池的发展19-24
• 1.2.1 Cu_2ZnSn(S,Se)_4的晶体结构与特点19-20
• 1.2.2 Cu_2ZnSn(S,Se)_4的成分20-21
• 1.2.3 Cu_2ZnSn(S,Se)_4薄膜太阳能电池的结构与吸收层的制备方法21-24
• 1.3 钙钛矿薄膜太阳能电池的发展24-27
• 1.3.1 钙钛矿材料的晶体结构与特点24-25
• 1.3.2 钙钛矿薄膜太阳能电池的结构与吸收层的制备方法25-27
• 1.4 本论文的研究目的和主要工作内容27-29
• 参考文献29-36
• 第二章 实验制备工艺和主要表征方法36-47
• 2.1 衬底的选取和清洗处理36
• 2.2 溶剂热法36-37
• 2.3 原子层沉积(ALD)技术37-40
• 2.3.1 ALD的原理及应用37-38
• 2.3.2 本论文使用的ALD设备38-40
• 2.4 旋涂法制备薄膜技术40
• 2.5 主要表征方法40-45
• 参考文献45-47
• 第三章 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒与薄膜的制备及其性能表征47-68
• 3.1 引言47-48
• 3.2 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的制备48-49
• 3.3 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的表征49-59
• 3.3.1 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的X射线衍射表征49-51
• 3.3.2 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的扫描电子显微镜表征51-52
• 3.3.3 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的透射电子显微镜表征52-53
• 3.3.4 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的拉曼光谱表征53-55
• 3.3.5 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的光电子能谱表征55-58
• 3.3.6 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4纳米颗粒的光学带隙表征58-59
• 3.4 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜太阳能电池的制备及性能表征59-64
• 3.4.1 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜太阳能电池的结构59-60
• 3.4.2 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜制备与表征60-61
• 3.4.3 Cds薄膜的制备与表征61-63
• 3.4.4 Cu_2ZnSn(S_xSe_(1-x))_4薄膜太阳能电池Ⅰ-Ⅴ曲线测试63-64
• 3.5 本章小结64-65
• 参考文献65-68
• 第四章 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x钙钛矿薄膜太阳能电池的制备及其性能表征68-88
• 4.1 引言68-69
• 4.2 器件结构设计69-70
• 4.3 能级分析70-71
• 4.4 器件制备工艺71-75
• 4.4.1 实验药品和试剂及相关仪器设备71
• 4.4.2 FTO衬底的清洗和处理71-72
• 4.4.3 ALD沉积TiO_2致密层72
• 4.4.4 旋涂TiO_2介孔层72
• 4.4.5 两步沉积法制备CH_3NH_3PbI_3薄膜72-73
• 4.4.6 一步沉积法制备CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜73-74
• 4.4.7 空穴传输层(P3HT)薄膜的制备74
• 4.4.8 顶电极Au的制备74-75
• 4.5 器件表征与性能测试75-84
• 4.5.1 TiO_2薄膜的X射线衍射表征75
• 4.5.2 TiO_2薄膜的原子力显微镜表征75-76
• 4.5.3 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜的X射线衍射表征76-77
• 4.5.4 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜的扫描电子显微镜表征77-78
• 4.5.5 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜的光电子能谱表征78-80
• 4.5.6 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜器件的截面结构表征80-81
• 4.5.7 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜的光吸收性能表征81-82
• 4.5.8 CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜太阳能电池的Ⅰ-Ⅴ曲线测试82-84
• 4.6 本章小结84-86
• 参考文献86-88
• 第五章 结论与展望88-90
• 5.1 结论88-89
• 5.2 未来工作展望89-90
• 硕士期间发表的文章90-91
• 致谢91-92

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