銅基化合物薄膜太陽能電池光吸收層材料研究.pdf

1、銅基化合物薄膜（包括CuInSe2、CuInS2、CuIn1-xGaSe2和Cu2ZnSnS4等）太陽能電池是極具潛力的低成本的薄膜電池。特別是銅鋅錫硫（Cu2ZnSnS4，簡稱CZTS）薄膜吸收系數(shù)高，禁帶寬度為1.5eV，接近單結(jié)太陽能電池的理想最佳帶隙值，成本低且不含有毒元素，被認(rèn)為是繼銻化鎘和銅銦鎵硒薄膜之后又一適合作為薄膜太陽能電池吸收層的材料，因此開展CZTS薄膜材料和CZTS薄膜太陽能電池的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值

2、。
　　溶劑熱工藝在濕化學(xué)合成納米材料方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，易實(shí)現(xiàn)粒徑均勻可控、化學(xué)組分可控的納米顆粒粉末的制備。與傳統(tǒng)的蒸發(fā)和濺射等真空制備技術(shù)相比，可以大大降低生產(chǎn)成本、更適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此本文采用溶劑熱合成技術(shù)，制備CuInS2(CIS)和Cu2ZnSnS4粉末，并在此研究基礎(chǔ)上，采用溶劑熱合成技術(shù)直接在透明導(dǎo)電玻璃襯底上制備了CIS和CZTS薄膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)、X射線衍

3、射(XRD)、拉曼光譜，能量色散譜和紫外可見光譜等測試分析技術(shù)，研究了工藝條件對CIS和CZTS粉末和納米晶薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、組分河光學(xué)性能的影響規(guī)律;分析了溶劑熱合成技術(shù)制備CIS和CZTS納米顆粒和納米晶薄膜的反應(yīng)機(jī)理。并制備了具有FTO玻璃/CZTS或CIS/CdS/i-ZnO/Al-ZnO/Ag結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池，測試分析了電池的光伏性能。研究結(jié)果總結(jié)如下:
　　1.溶劑熱合成技術(shù)制備的CIS粉末具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，光學(xué)帶隙

4、為1.52 eV，反應(yīng)前驅(qū)物中硝酸銦濃度或硫脲濃度對組成粉末的顆粒尺寸、平均晶粒大小和Cu/In/S原子比率有較大影響;CIS粉末中Cu∶In∶S的原子比接近理想的原子配比1∶1∶2。
　　2.采用溶劑熱合成技術(shù)，直接在FTO襯底上制備出由垂直FTO襯底生長的厚度約30nm的納米片組成的CIS薄膜和由平鋪在FTO襯底上的納米盤組成的CIS薄膜，隨著硝酸銦濃度的增加，CIS薄膜由片狀結(jié)構(gòu)變成盤狀結(jié)構(gòu)。而不同硫脲濃度下制備的CIS薄膜

5、都是由許多納米片構(gòu)成的，但隨著硫脲濃度的升高，納米片的大小逐漸減小，且密度交大。CIS薄膜具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為1.44 eV，但Cu∶In∶S的原子比與理想的成分比1∶1∶2偏差較大。
　　3.溶劑熱合成技術(shù)制備的CZTS球形納米顆粒的直徑為190-300nm，每個(gè)球形顆粒是由很多平均尺寸大約24nm的納米晶構(gòu)成。納米晶具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度約為1.55eV。反應(yīng)溶液中硫脲或ZnCl的濃度對球形納米顆粒的直徑、形貌和C

6、u∶ Zn∶Sn∶S原子比有較大影響。
　　4.溶劑熱合成技術(shù)直接在FTO襯底上制備了具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜，CZTS薄膜是由大量致密的類球狀的納米粒子組成的，球型顆粒的直徑約300-500nm，每個(gè)球型顆粒是由許多晶粒大小約12nm的納米晶組成的。CTAB對FTO襯底上CZTS薄膜的形成起重要作用。
　　5.CIS薄膜太陽能電池的短路電流密度Jsc為0.34 mA/cm2、開路電壓Voc為0.17V、填充因子FF為