黄铜矿太阳能电池薄膜材料的电沉积制备与性能研究

【摘要】：在当前全球能源短缺的背景下，以太阳能光伏产业为代表的新能源产业和以纳米技术为代表的新材料产业，凭借节能环保的先天优势，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。作为在二代太阳能电池及三代太阳能电池材料和半导体纳米材料研究中脱颖而出的黄铜矿型系列薄膜材料，跻身为现今能源领域的研究发展热门之一。铜铟镓硫四元化合物，作为黄铜矿型系列半导体材料中的一员，因自身优异的性能备受关注；而围绕该材料性能的进一步改进也是广大研究工作者的攻关之一，其中尤以元素掺杂改善材料性能的方式。本论文针对目前铜铟镓硫四元化合物薄膜材料的制备及引入钛元素掺杂铜镓硫材料的研究进展展开探索，旨在发掘大面积、高质量、新工艺的制备生产路线，为新型薄膜材料及太阳能电池器件的开发提供实验基础。本论文的主要研究和取得的创新性成果如下： 1.采用电化学沉积法结合后期退火热处理工艺先后在不同溶液体系中合成四元铜铟镓硫薄膜材料。 在水系溶液制备环境中，我们比较了不同退火热处理温度对四元铜铟镓硫薄膜晶相生长的影响，发现在退火温度为400℃时，薄膜晶相最佳，结晶度最佳，表面形貌致密平整，适合作为薄膜太阳能电池吸收层材料。所制备的常规层状薄膜太阳能电池器件，其光电转换效率达到5.75%。 在乙醇系溶液制备环境中，我们比较了不同沉积电势对四元铜铟镓硫薄膜晶相生长的影响，发现在高电势时，薄膜晶相最佳，结晶度最佳，表面形貌致密平整，适合作为光化学电池电极材料。通过光化学电池测试手段，发现高电势下制备的薄膜材料光响应性能较好；同时发现异质结型构光电极时材料光响应性能有较好提升。 2.采用电化学沉积法结合后期快速退火热处理工艺在乙醇溶液体系中合成四元钛掺杂铜镓硫薄膜材料。本实验采用的快速热处理工艺标准为500℃下保温10分钟，在较高的温度下进行退火结晶，可以使得非晶前驱体快速形核成晶。本实验制备的四元钛掺杂铜镓硫晶相纯度高，无异次相的生成；薄膜晶粒致密度高且具有粗糙的表面形貌，可利用光陷效应来增加光的吸收。由于将钛元素掺杂入黄铜矿型三元铜镓硫构型中，本实验成功制备出了具有中间带隙理论模型吸收特性的吸收层材料，同时发现异质结型构光电极模型时材料光响应性能得到进一步提升。 【关键词】：电化学沉积法 黄铜矿半导体材料 退火热处理工艺 光电性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 引言9-10
• 1.2 太阳能光电转换原理10
• 1.3 太阳能光电转换应用10-11
• 1.4 I-III-VI2 族太阳能电池简介11-13
• 1.5 薄膜太阳能电池构型13-14
• 1.6 本文的研究内容及研究意义14-16
• 1.6.1 研究内容14-15
• 1.6.2 研究创新性及意义15-16
• 第2章 CIGS 薄膜材料的制备与性能研究16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 水溶液体系样品制备与表征16-19
• 2.3 结果与分析19-28
• 2.3.1 薄膜样品的电化学伏安曲线分析19-21
• 2.3.2 薄膜样品的晶体结构分析21-22
• 2.3.3 薄膜样品的表面形貌分析、元素分析和显微形貌分析22-24
• 2.3.4 薄膜样品的晶相形成机理24-26
• 2.3.5 薄膜样品的紫外-可见光吸收性质26-27
• 2.3.6 薄膜样品的电池器件光电转换效率27-28
• 2.4 醇溶液体系样品制备与表征28-30
• 2.5 结果与分析30-37
• 2.5.1 薄膜样品的晶体结构分析30-31
• 2.5.2 薄膜样品的表面形貌分析、元素分析和显微形貌分析31-33
• 2.5.3 薄膜样品的晶相形成机理33-35
• 2.5.4 薄膜样品的紫外-可见光吸收性质35-36
• 2.5.5 薄膜样品的光化学电池响应性质36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 钛掺杂铜镓硫的薄膜材料的制备与性能研究38-49
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验方法39-41
• 3.3 结果与分析41-47
• 3.3.1 薄膜样品的晶体结构分析41-42
• 3.3.2 薄膜样品的 Raman 图谱分析42-43
• 3.3.3 薄膜样品的 XPS 数据分析43-44
• 3.3.4 薄膜样品的形貌及能谱分析44-45
• 3.3.5 薄膜样品的显微形貌分析45-46
• 3.3.6 薄膜样品的紫外-可见光-近红外吸收性质分析46-47
• 3.3.7 薄膜样品的光化学电池响应性质分析47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 总结与展望49-51
• 4.1 总结49
• 4.2 展望49-51
• 参考文献51-58
• 致谢58-59
• 攻读硕士期间发表的论文59

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