Cu_2ZnSnS_4薄膜太阳能电池缓冲层的制备及性能研究

【摘要】：随着现代化工业进程的加快，人们对传统化石燃料需求逐渐增多，环境问题日益严重，所以我们迫切需求一种清洁能源来代替传统化石燃料。在众多绿色能源中，太阳能是一种非常有发展前景的清洁能源，而太阳能电池则能将光能转化为电能。近年来，Cu2ZnSnS4（CZTS）四元化合物因为其制备成本低廉，各含量元素无毒无害以及吸收系数较高（104cm-1）等优点成为了炙手可热的薄膜太阳能电池吸收层材料。为了与P型的CZTS形成P-N结从而分离光生载流子，需要在其表面制备一层N型的半导体薄膜。CdS薄膜是目前被广为利用的n型半导体薄膜。化学水浴法（CBD）由于其制备条件温和，设备成本较低且能大面积的制备性能优良的半导体薄膜，因此目前大多数研究小组都采用CBD方法生长的CdS薄膜与吸收层形成异质P-N结来制备高性能的薄膜太阳电池。 本论文借鉴课题组在太阳电池吸收层和窗口层材料研究中的众多经验，开展了铜锌锡硫薄膜太阳电池缓冲层CdS材料的研究。本论文中采用CdSO4、CS(NH2)2、和NH4.H2O为反应试剂，利用化学水浴沉积方法（CBD，ChemicalBath Deposition）结合氮气气氛下后期热处理方法，在玻璃衬底上制备了N型的CdS半导体薄膜，利用X射线衍射（XRD)、扫描电子显微镜（SEM)和紫外-可见吸收光谱等测试技术，研究了三种反应试剂各反应离子的浓度，酸碱度，沉积时间，退火温度和时间对CdS薄膜晶体质量和物理性能的影响规律和机制，得到以下结论： （1）CdS薄膜生长过程中，当沉积时间为50min时，薄膜厚度达到最大值150nm之后，膜的厚度随沉积时间增加不再变化。 （2）当沉积温度为65℃时，最有利于CdS六方晶体相的生长，形成的CdS薄膜致密均匀且可见光的透过率最高，随着沉积温度的升高，薄膜结晶性也有所提高，然而可见光的透过率却由原来的90%下降到65%左右，且禁带宽度变窄。 （3）溶液酸碱度的变化对CdS薄膜的表面形貌有非常大的影响，当PH=9.824的时候，CdS薄膜的致密性最好。 （4）退火处理有利于CdS薄膜的再结晶，但是却不会改变CdS薄膜本身的晶体结构，实验结果证明退火温度为350℃时薄膜再结晶效果最好。 【关键词】：CdS薄膜 化学水浴沉积法 太阳能电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 太阳能电池简介13-17
• 1.1.1 基本原理13-15
• 1.1.2 基本参数15-16
• 1.1.3 薄膜太阳能电池的发展16-17
• 1.2 铜锌锡硫（CZTS)薄膜太阳能电池特性17-21
• 1.2.1 CZTS 薄膜材料的基本性质17-19
• 1.2.2 CZTS 薄膜太阳能电池结构19-21
• 1.3 铜锌锡硫（CZTS)薄膜太阳电池缓冲层材料21-24
• 1.3.1 硫化镉(CdS）薄膜材料的作用21-23
• 1.3.2 硫化镉(CdS）薄膜的成膜机理23-24
• 1.4 本论文的选题依据和研究内容24-25
• 第二章 硫化镉薄膜的制备技术和表征手段25-35
• 2.1 硫化镉薄膜的制备技术25-28
• 2.1.1 化学水浴法25-26
• 2.1.2 其他几种制备技术26-28
• 2.2 热退火设备28
• 2.3 硫化镉薄膜的性能表征手段28-35
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD)28-30
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）30-31
• 2.3.3 X 射线能量色散谱(EDS)31
• 2.3.4 紫外-可见吸收光谱31-33
• 2.3.5 拉曼光谱33-35
• 第三章 化学水浴法制备硫化镉薄膜35-47
• 3.1 前言35
• 3.2 硫化镉薄膜的制备35-38
• 3.3 硫化镉薄膜的表征38-45
• 3.3.1 硫化镉薄膜材料的结构分析38-39
• 3.3.2 硫化镉薄膜材料的形貌分析39-42
• 3.3.3 硫化镉薄膜材料的光学性质分析42-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第四章 实验参数对硫化镉薄膜的影响47-66
• 4.1 前言47
• 4.2 PH 值对硫化镉薄膜晶体质量和性能的影响47-53
• 4.3 不同的(NH_2)_2SC 浓度对硫化镉薄膜性能的影响53-58
• 4.4 退火温度对硫化镉薄膜的质量和性能的影响58-63
• 4.4.1 配制反应溶液58-59
• 4.4.2 退火前后的 CdS 薄膜光学带隙比较59
• 4.4.3 退火温度对 CdS 薄膜结构和晶体质量的影响59-61
• 4.4.4 退火温度对 CdS 薄膜表面的影响61-63
• 4.5 沉积时间对硫化镉薄膜厚度的影响63-64
• 4.6 本章小结64-66
• 第五章 全文总结66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-75

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