形貌可控的Cu2ZnSnS4納米材料的制備與光電性能研究.pdf

1、目前，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜，作為太陽(yáng)能電池的吸收層，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)20％的轉(zhuǎn)換效率。然而，由于銦和鎵儲(chǔ)量稀少，限制了該薄膜電池的發(fā)展。Cu2ZnSnS4(CZTS)是一種直接帶隙P型半導(dǎo)體材料，其吸收系數(shù)較高，可達(dá)104cm-1、帶隙可調(diào)(1.4-1.6eV)，與半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池所要求的最佳禁帶寬度(1.5eV)十分接近，并且所含元素儲(chǔ)量豐富，無(wú)毒，對(duì)環(huán)境污染小。因此，CZTS成為太陽(yáng)能電池吸收層的最佳候選材料。在本論文中，我們采用

2、簡(jiǎn)單的溶劑熱法，以無(wú)機(jī)金屬鹽為原料，以無(wú)機(jī)溶劑為反應(yīng)介質(zhì)，成功制備了不同形貌和不同尺寸的CZTS納米顆粒，并探討和分析了不同反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物的影響，提出花狀顆粒的生長(zhǎng)機(jī)理。同時(shí)，我們也考察和測(cè)試了薄膜的光電性能，將CZTS納米顆粒分別作為無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的吸收層以及染料敏化電池的對(duì)電極，期待這種多層次結(jié)構(gòu)的CZTS納米顆粒能夠廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中。本論文主要工作包括以下幾個(gè)部分：
　　 1.采用溶劑熱法，嘗試采用各種溶劑(乙二

3、胺、乙二醇和聚乙二醇-400(PEG))制備CZTS納米顆粒，并且對(duì)所合成的CZTS顆粒做了相關(guān)表征。結(jié)果表明，以乙二醇為溶劑，通過(guò)加入表面活性劑(PVP)，以及PEG(PEG和EG)為溶劑，我們能夠得到形貌可控，尺寸可調(diào)的球狀以及花狀CZTS納米顆粒，另外，我們還探討了不同的反應(yīng)因素(如反應(yīng)溫度、溶液濃度、反應(yīng)時(shí)間和PVP的含量、)對(duì)產(chǎn)物形貌及尺寸的影響，分析了PVP的作用，提出花狀納米顆粒的形成機(jī)理。結(jié)果表明，產(chǎn)物的最佳溫度為230

4、℃，PVP以及PEG不僅能夠阻止顆粒團(tuán)聚，而且含量較少時(shí)，能夠吸附在某個(gè)晶面，促使納米片生成。最后，我們比較了不同形貌的CZTS顆粒的光吸收曲線，發(fā)現(xiàn)花狀的CZTS顆粒由于具有特殊的多層次結(jié)構(gòu)，比表面積較大，能夠?qū)梢?jiàn)光發(fā)生多次反射及散射，促使其吸光度下降緩慢，有利于吸收更多的可見(jiàn)光。
　　 2.本章我們主要探討了CZTS薄膜的光電性能，首先采用簡(jiǎn)單的刮刀涂膜法將所制備的球狀以及花狀的CZTS納米顆粒制成薄膜，然后我們?cè)噲D將CZ

5、TS薄膜作為太陽(yáng)能電池的吸收層，嘗試組裝成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池，測(cè)試其光電性能，由于熱處理?xiàng)l件、薄膜與基底的牢固度等多方面因素的影響，我們目前組裝的電池裝置還未得到可觀的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，我們還將該薄膜作為染料敏化電池的對(duì)電極材料，并對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測(cè)試，探討不同條件對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硒化處理后的CZTS-Se薄膜(花狀顆粒)作為對(duì)電極時(shí)，其裝置的轉(zhuǎn)換效率最高，達(dá)到3.99％，可以與鉑電極相媲美(3.91％)