金屬墨水法制備CuInS2薄膜及太陽電池.pdf

1、太陽能光伏作為一種無污染、壽命長且不受地理限制的綠色能源,被認為是解決未來能源問題的有效途徑之一。近年來,世界光伏市場迅猛發(fā)展,但是,光伏發(fā)電的成本相對還比較高,因此降低發(fā)電成本就成為關鍵。由于薄膜電池技術具有原材料消耗少、能耗低、可大面積快速生產等優(yōu)點,成為國際學術界和產業(yè)界研究的熱點領域。
　　 CuInS2以其接近太陽光最佳匹配的禁帶寬度(1.5eV)、較大的吸收系數、較高的理論轉換效率等優(yōu)點,是一種非常有潛力的薄膜電池材

2、料。但是,目前CuInS2薄膜制備技術多采用真空方法,制造成本相對較高。本文探索了應用金屬顆粒墨水制備CuInS2薄膜及太陽電池的方法。首先采用多元醇還原法制備銅、銦及銅銦合金金屬顆粒,然后進行金屬顆粒墨水、前驅體薄膜的制備和硫化過程等工藝的研究,制備了CuInS2薄膜太陽電池。全文取得了如下具有創(chuàng)新意義的結果:
　　 (1)采用多元醇還原法制備了銅、銦及銅銦合金納米顆粒。研究發(fā)現:反應溫度和反應速度是制備銦顆粒的主要因素,Na

3、BH4在溶劑中的分解速度決定了生長時間,高分子添加劑能起到空間位阻作用但也會影響到顆粒的均勻性?；谝陨系恼J識,采用三乙醇胺(TEA)作為添加劑,結合快速熱注入法,在140℃高溫下制備了直徑為10nm甚至更小的均勻的銦顆粒,反應溫度及TEA的量會影響到顆粒的尺寸。研究還指出:快速注入能一次形成大量形核中心并迅速長大,高溫條件可以加速了NaBH4的分解,縮短生長時間,使得還原性環(huán)境被破壞,導致銦顆粒被鈍化從而限制其進一步生長。另外,采用快

4、速熱注入法也制備得到顆粒尺寸在100nm以下、分布較窄的銅銦合金顆粒,同銦顆粒的制備類似,溫度和時間對顆粒的形貌沒有影響,但會提高結晶性。
　　 (2)研究了金屬顆粒的高溫穩(wěn)定性。實驗指出:銅銦顆粒及銦顆粒即便是在充滿還原性氣氛的高真空CVD腔體中氧化也比較嚴重,說明制備得到的金屬顆粒在高溫條件下不穩(wěn)定。通過形貌,結構分析,發(fā)現銅銦顆粒在高溫熱處理后轉變?yōu)檠趸熂{米線,而銦顆粒則有向氧化銦空心球轉變的趨勢。對比在玻璃襯底及銅襯底

5、上的銦顆粒經過熱處理后的形貌差異,認為銅在氧化銦納米線的生長過程中起到了催化作用。
　　 (3)利用制備的金屬顆粒制備了前驅體薄膜,進而硫化燒結成CuInS2薄膜。利用CBD法制備的多孔的硫化銅或硫化銦薄膜進行補銦或補銅,最后硫化制備成致密的CuInS2薄膜。采用硫化銅補銦法制備的CuInS2薄膜制備的電池得到了2％的光電轉換效率。應用銅顆粒墨水、銦顆粒墨水依次制備了銅/銦或銦/銅疊層前驅體薄膜,用銅銦顆粒制備了混合前驅體薄膜。

6、通過硫化均能制備結構致密、晶粒較大的CuInS2薄膜。發(fā)現混合前驅體薄膜制備的CuInS2薄膜雜相相對較少,該薄膜制備的電池具有0.7％的光電轉換效率。
　　 (4)研究了銅銦合金顆粒的硫化過程,指出雜質Na、中間相等對薄膜性能和結構的影響。發(fā)現隨著在金屬前驅體膜中銅/銦比的增大,CuInS2薄膜晶粒越大、結晶性越好。鈉對富銦前驅體薄膜的作用要比富銅薄膜大:銅/銦比為0.6的前驅體薄膜,以含鈉的玻璃為襯底,硫化后雜相為Na2In

7、2S4;以不含鈉的鉬片為襯底時,其雜相為CuInsS8。而在銅銦比在0.9和1.3的前驅體膜中,無論是襯底中的鈉還是在銅銦合金中摻入的鈉,都對其結構沒有大的影響。研究還發(fā)現:在硫化過程中有CuIn5S8中間相參與反應,這是由于銅、銦的擴散速度及與硫反應的速度不同導致的富銅相(CuS)與富銦相(CuIn5S8)的暫時分相,在溫度升高時兩者作用生成CuInS2。另外,制備的CuInS2薄膜截面均為雙層結構:上層薄膜由大晶粒組成,而下層薄膜的