銅銦硒系光伏材料的軟化學法制備與性能研究.pdf

1、在全球性能源供求日趨緊張的今天，利用太陽能光電技術(shù)來優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。光伏能源技術(shù)關(guān)鍵在于太陽能電池技術(shù)，在新一代太陽能電池中，CuInSe2(CISe)薄膜電池以其禁帶值可調(diào)、高光吸收系數(shù)、光電轉(zhuǎn)化率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為材料科學、化學、能源科學等領(lǐng)域的研究熱點。但是在CISe光吸收膜層的制備方面，國內(nèi)目前大多采用濺射沉積等真空工藝，其存在成本高、重復(fù)性差等缺點。研究表明，采用電化學沉積、絲網(wǎng)印刷等非真空工藝，

2、在維持光吸收層品質(zhì)的同時，可有效降低制備成本，其具有重要的意義。
　　 本文按照“粉體-漿料-薄膜”軟化學法路線，在CISe粉體的制備基礎(chǔ)上，進一步深入研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)輔助、Ga摻雜、S摻雜等新體系，對CISe粉體物相、形貌及光吸收性能的影響，提高了粉體的性能指標。初步開展了CISe漿料、CISe薄膜的研制工作。通過大量實驗工作，取得一些創(chuàng)新性成果。
　　 采用簡單的溶劑熱法，以乙二胺為溶劑，PVP輔助制得

3、CISe粉體，考察了反應(yīng)溫度、PVP用量對粉體物相與形貌的影響。實驗結(jié)果表明，180℃下所得黃銅礦型CISe粉體具有新穎的“六邊形片簇”形貌，其禁帶值因該形貌的量子尺寸效應(yīng)寬化至1.30eV;反應(yīng)溫度為210℃時，粉體形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔映叽缧?yīng)較弱的“六邊形球簇”，禁帶值也相應(yīng)減小至1.24eV。 PVP輔助對CISe粉體物相無顯著影響，但形貌卻隨PVP用量的增加，往微米級“長方體”發(fā)展，造成粉體光吸收邊的“紅移”現(xiàn)象，當添加1.0gPVP

4、（即占反應(yīng)物總質(zhì)量的64％）時，PVP/CISe粉體的禁帶值約為1.08eV。同時，CISe晶體形貌的“形核-成長”影響機制也得到了有效建立。
　　 在CISe粉體合成基礎(chǔ)之上，進一步研究了Ga元素、S元素摻雜對CISe粉體物相、形貌與性能的影響。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)物初始摩爾比能有效調(diào)控產(chǎn)物的各組分百分含量。Ga摻雜不改變CISe粉體的黃銅礦結(jié)構(gòu)，而S摻雜使得粉體物相往纖鋅礦轉(zhuǎn)變。隨著摻雜量的增大，CIGSe粉體依次呈現(xiàn)片簇、納

5、米球、片等形貌，而CISeS粉體形貌則依次變?yōu)槠?、球體等結(jié)構(gòu)。CIGSe、CISeS粉體的光吸收邊均出現(xiàn)“藍移”現(xiàn)象，禁帶值也從CISe的1.30 eV分別增大至1.58 eV、1.40 eV。同時，論文還在乙醇-硫脲體系下制得黃銅礦CIS粉體，通過與乙二胺-硫化鈉體系的纖鋅礦CIS粉體對比發(fā)現(xiàn)，黃銅礦為纖鋅礦的超晶體結(jié)構(gòu)，纖鋅礦晶體的Cu+、In3+發(fā)生有序轉(zhuǎn)變后，能轉(zhuǎn)變成黃銅礦型CIS粉體，其禁帶值也相應(yīng)地增大至1.48 eV。

6、r>　　 采用單因素條件實驗法，研究了分散穩(wěn)定的CISe漿料制備工藝。實驗結(jié)果表明，在丙三醇體積百分含量為40％～50％的乙醇-丙三醇混合溶劑中，加入與CISe粉體質(zhì)量比為0.4～0.5的分散劑PVP，將混合體系超聲分散15～20min后，再用高速勻質(zhì)機以3000～4000r/min的速率剪切分散3～4h。所得CISe漿料具有最佳分散穩(wěn)定性，能靜置60余天而無明顯沉降。同時，往分散穩(wěn)定的CISe漿料中添加適量的涂料助劑，即可制得適宜浸

7、漬-提拉法鍍膜的CISe涂料。
　　 采用浸漬-提拉法，在玻璃基體上制備了CISe預(yù)制膜，并進一步通過硒化退火工藝制得黃銅礦型CISe薄膜。實驗結(jié)果表明，CISe涂料經(jīng)10mm/min勻速提拉固化后，在基體上即可形成附著力達0級的CISe預(yù)制膜，預(yù)制膜厚達105.26μm。采用氣氛退火裝置，將預(yù)制膜500℃硒化1h后，獲得力學性能良好的黃銅礦CISe薄膜，薄膜厚度約56.85μm，附著力為1級，硬度為2H。同時，CISe薄膜光吸