顆粒硫化法制備硫化物薄膜及其光伏應用.pdf

1、新能源是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的重要支柱和希望。其中，太陽能以其無污染、無噪音和來源穩(wěn)定成為研究和應用的熱點。特別是太陽能發(fā)電(光伏)技術，可直接將太陽能轉換為電能，具有廣闊的應用前景。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但占世界能源消耗的比例仍然很低，高成本是阻礙其進一步發(fā)展的主要原因。
　　 光伏產(chǎn)業(yè)中目前晶體硅太陽電池占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額，這主要是因為其具有高效率和高穩(wěn)定性。而從未來發(fā)展趨勢來看，薄膜太陽電池無疑具有更大的降低成

2、本的潛力。特別是硫屬化合物類太陽電池，如硫銦銅(CuInS2)和一硫化亞錫(SnS)。這兩種化合物都是直接帶隙材料，其吸收系數(shù)都高達105cm-1，可以制備成很薄的光伏吸收層，大幅節(jié)省材料；其禁帶寬度與太陽光光譜匹配比較好，具有較高的理論轉化效率；此外，硫化物原材料來源豐富，可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。但是，目前采用的高真空制備工藝難以實現(xiàn)大規(guī)模高產(chǎn)率高穩(wěn)定性的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，制約了薄膜太陽電池的大規(guī)模應用。非真空法特別是顆粒墨水印刷法是近年來人們

3、廣泛關注的一種先進薄膜制備方法，具有高速，大面積和低成本等諸多優(yōu)點，但其應用于硫屬薄膜太陽電池材料制備的研究剛剛起步，具有重要的科學價值和應用價值。
　　 本論文在廣泛調(diào)研前人基礎上，使用金屬墨水硫化法制備出了這些化合物薄膜。首先，制備出金屬顆粒并配制成墨水，滴注形成前驅體薄膜，然后在硫氣氛下進行快速熱處理(RTP)，制備出了光伏吸收層CuInS2、SnS和可以充當銅銦鎵硒薄膜(CIGS)電池緩沖層的In2S3薄膜，并詳細研究了

4、熱處理工藝對制備出的薄膜的影響。文章中使用了掃描電鏡、X射線衍射、拉曼光譜、光譜探測分析和霍爾測試等手段對制備出的薄膜進行了表征和分析，取得了以下成果：
　　 1.借助于空氣熱處理，硫化制備出了大晶粒、致密的CuInS2薄膜。首先，使用化學還原法合成出Cu－In金屬合金顆粒，尺寸在幾十納米左右。加入適量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和酒精制備成墨水，使用滴注的方法涂覆在襯底上。最初，將制備出的前驅體薄膜直接在H2S氣氛下熱處理，得到

5、的CuInS2晶粒尺寸非常小。因此，在硫化之前，我們對前驅體薄膜進行了350℃空氣熱處理以去除前驅體薄膜中的有機物，再在H2S氣氛下硫化，發(fā)現(xiàn)隨硫化溫度升高，制備出的CuInS2薄膜晶粒尺寸顯著增加，在550℃下硫化得到了致密的p型CuInS2薄膜。最后，又對不同硫化時間、溫度、氣壓下制備的CuInS2薄膜進行了分析。
　　 2.使用標準的CIGS電池制備工藝制備出了小型的太陽電池元器件。首先，在制備出的CuInS2薄膜上用水浴

6、法沉積一層幾十納米厚的CdS緩沖層；接著，使用磁控濺射的方法沉積窗口層本征氧化鋅；在其上又濺射了一層ITO透明導導電薄膜做平面電極，滴注碳漿或者銀漿做點電極。最后，制備出了0.5×0.5 cm2小型元器件，其開路電壓為240 mV，短路電流0.2 mA。
　　 3.薄膜光伏吸收層SnS的制備。在多元醇溶液中，使用化學還原法制備出Sn金屬顆粒，加入適當?shù)腜VP和酒精制成墨水，滴注在襯底上制備出金屬前驅體薄膜。在180℃和200℃下

7、硫化制備出了單相的SnS薄膜，其禁帶寬度在1.29－1.31 eV之間，和太陽光譜相匹配，適合做光伏吸收層，不過由于熱處理溫度較低，制備出的薄膜晶粒較小。嘗試在高溫下硫化，但是會出現(xiàn)雜相SnS2相。最后，我們制備出了SnS/TiO2異質結，有很好的整流效應。
　　 4.In2S3薄膜的制備。金屬前驅體薄膜制備方法和Sn金屬顆粒薄膜相同。然后，將制備出的In前驅體薄膜在H2S氣氛下450℃和500℃熱處理，制備出了光電性能較好的β