太陽電池材料CuInS2薄膜及其納米棒陳列研究.pdf

1、太陽能是一種可再生清潔能源，其儲量巨大，取之不盡，用之不竭，對環(huán)境無污染，對它的應(yīng)用研究已成為今后人類能源發(fā)展的主要方向之一。利用光伏效應(yīng)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用的重要形式，而太陽電池是光伏系統(tǒng)的核心，其產(chǎn)量也得到快速發(fā)展，過去10年，每年以超過30％的速度增加。但是，與火力發(fā)電和水力發(fā)電相比，存在發(fā)電成本高的問題，要解決這個問題，關(guān)鍵是要降低太陽電池的生產(chǎn)成本和提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　CuInS2(CIS)是一種重要的Ⅰ-

2、Ⅲ-Ⅵ2族半導(dǎo)體化合物材料，由于具有與太陽光譜非常匹配的禁帶寬度(1.55 eV)，光吸收系數(shù)高(>105 cm-1)，化學(xué)穩(wěn)定性好，低毒性等優(yōu)點，使其成為非常有潛力的一種太陽電池吸收層材料。從降低薄膜的制備成本方面考慮，近年來，電沉積、噴霧熱解、涂覆技術(shù)、絲網(wǎng)印刷等非真空、低成本技術(shù)得到一定的應(yīng)用發(fā)展。其中，涂覆法和絲網(wǎng)印刷技術(shù)都需以黃銅礦相CIS粉末為前驅(qū)體，并且單源蒸發(fā)和近空間升華法中也使用CIS粉末來制備高質(zhì)量的CIS薄膜。為此

3、，論文使用真空燒結(jié)法，系統(tǒng)地研究了CIS粉末的燒結(jié)合成。
　　在CIS薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率方面，以其為吸收層的太陽電池的理論效率高達27％～32％，而文獻報道的光電轉(zhuǎn)化效率卻只有12.2％，電池的效率存在很大的提升空間。電池吸收層的納米化有利于增加吸收層對光的吸收，并且能促進光生載流子的分離和傳輸，是提高電池效率的有效途徑。
　　對于CIS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)，越來越多的研究者使用Mo薄膜作為CIS基薄膜太陽電池的背電極材

4、料，這主要是由于Mo薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性、低電阻率以及其在制備過程中易與上層CIS薄膜形成良好的歐姆接觸。作為薄膜電池結(jié)構(gòu)中的背電極材料，Mo薄膜性能的好壞直接影響吸收層CIS薄膜的結(jié)晶取向、表面形貌及界面性能，進而對電池性能產(chǎn)生重要影響。目前文獻報道的轉(zhuǎn)換效率最高的電池也是以Mo薄膜作為底電極的。
　　基于以上所述，論文主要在直流磁控濺射法制備Mo薄膜、真空燒結(jié)法合成CIS粉末、單源熱蒸發(fā)法制備CIS薄膜、固態(tài)硫化法制備CIS

5、薄膜和固態(tài)硫化法制備新型CIS納米棒陣列等方面開展研究工作，并取得了一些研究成果。
　　1.改裝了一套直流磁控濺射裝置，并運用該裝置系統(tǒng)地研究了濺射工藝對Mo薄膜的沉積速率、結(jié)構(gòu)、形貌及電學(xué)性能的影響。濺射過程中，當(dāng)基片溫度為150℃時，薄膜獲得(211)晶面擇優(yōu)取向，而在其它溫度條件下，樣品則為(110)晶面擇優(yōu)取向。
　　2.以Cu、In、S粉和CuS、In2S3粉為原料，真空燒結(jié)合成CIS粉末。球磨Cu、In、S粉的混

6、合物為前驅(qū)體，在10-1Pa的真空環(huán)境下，350℃低溫?zé)Y(jié)合成黃銅礦相CIS粉末，粉末的顆粒尺寸大約為250nm，適用于涂覆法及單源蒸發(fā)法制備CIS薄膜。
　　3.以合成的CIS粉末為原料，采用單源熱蒸發(fā)技術(shù)在鈉鈣玻璃基片上沉積薄膜，樣品經(jīng)250℃～450℃退火處理后，獲得了高(112)晶面擇優(yōu)取向的CIS薄膜。電學(xué)和光學(xué)性能測試顯示：薄膜的導(dǎo)電類型為N型，禁帶寬度為1.50 eV。
　　4.以鈉鈣玻璃為基底，蒸鍍Cu/In

7、薄膜，DSC分析顯示薄膜合金化時經(jīng)歷兩個相變過程，兩相變點溫度分別為153℃和314℃，進一步的XRD測試表明第一次相變時生成單斜晶系的Cu11In9，第二次相變則生成三斜晶系的Cu7In3。然后分別硫化Cu11In9和Cu7In3前驅(qū)膜均能獲得P型CIS薄膜，薄膜的禁帶寬度分別為1.34eV和1.39eV。其中硫化Cu7In3前驅(qū)膜獲得的薄膜中還含有少量CuxS二元雜相。另外，以玻璃/Mo為基底比以Mo箔片為基底制備CIS薄膜的結(jié)晶性

8、能更優(yōu)良。
　　5.將固態(tài)硫化法應(yīng)用于新型CIS納米棒陣列的制備。該結(jié)構(gòu)中納米棒陣列垂直生長于薄膜之上，組份測試表明薄膜接近CIS的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)劑量比。用該結(jié)構(gòu)膜作太陽電池吸收層時，可增加吸收層對光的吸收，促進載流子的分離與傳輸，從而有望開發(fā)出高效太陽電池。
　　另外，論文還就Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半導(dǎo)體材料CuInSe2化合物進行了一些研究，真空燒結(jié)合成了CuInSe2粉末，使用固態(tài)硒化法在Mo箔片上制備了CuInSe2薄膜。