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超声喷雾热解法太阳能电池用CuInS_2及In_2S_3薄膜材料的制备与性能研究

作　者: 张啸
导　师: 王华
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 超声喷雾热解 CuInS2薄膜 In2S3薄膜光电性能 p-CuInS2/n-In2S3异质结
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

能源是人类社会生存与发展的基础之一。传统能源的使用对环境造成了很大的破坏，在这一背景下，太阳能电池逐渐成为研究开发的热点。黄铜矿结构的CuInS₂因具有高光吸收系数和高理论转换效率等优点被认为是极具潜力的一种薄膜太阳能电池的吸收层材料。In₂S₃无毒性，性能稳定，对可见光吸收较小,可替代CdS作为太阳能电池缓冲层材料。本文采用非真空、低成本的超声喷雾热解法，以CuCl₂,InCl₃和SC（NH₂）₂)为起始原料，制备了太阳能电池CuInS₂吸收层薄膜和In₂S₃缓冲层薄膜，利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、四探针以及紫外-可见光分光光度计等分析测试手段，研究了衬底温度、原子比、喷口到衬底的距离、沉积时间、退火温度等对CuInS₂和In₂S₃薄膜晶体结构、形貌、透光率、禁带宽度Eg、导电性能等的影响，在此基础上制备了p-CuInS₂/n-In₂S₃异质结并研究其结构和电学性能。研究结果表明，适当的生长条件有利于制备性能优良的CuInS₂薄膜，当喷口到衬底的距离为10cm，沉积时间为10min，溶液中的Cu/In原子比为1.25，衬底温度为320℃时，制备的薄膜平整均匀、致密性好，且有沿（112）面择优生长的趋势。薄膜的方块电阻为125Ω/sq。此时制备的薄膜在可见光区的吸收率达到90%以上，禁带宽度达到1.45eV。退火温度对薄膜的性能影响明显，样品在500℃退火后，结晶性提高，晶粒生长有明显改善，而且在可见光区的吸收度有所增强。制备的In₂S₃薄膜沿（220）晶面择优生长且无杂相出现，在衬底温度为300℃、S/In=2的条件下制备的薄膜比较均匀致密，薄膜对可见光波段有较好的光透性能，平均透光率在80%左右，禁带宽度达到2.46eV。随着退火温度从400℃升高到600℃，薄膜在可见光区的透光率逐渐下降到50%，禁带宽度下降到2.37eV。制备的p-CuInS₂/n-In₂S₃异质结呈现出一定的整流特性，正向开启电压约为0.5V；当偏置电压从-3变化到+3V时，最大正向电流分别为24.8μA、21.2μA；该异质结在反向电压为-1V时出现明显漏电流；CuInS₂与In₂S₃界面处的界面有缺陷和晶格失配是较低电压下出现明显漏电流的主要原因。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  9
  1.2 太阳能电池的发展概况  9-10
  1.3 太阳能电池原理  10
  1.4 薄膜太阳电池的发展概况  10-12
  1.5 CuInS_2 薄膜材料的结构和性质  12-14
  1.6 CuInS_2 薄膜太阳能电池的发展历程  14-16
  1.7 CuInS_2 薄膜的主要制备方法  16-19
  1.8 缓冲层In_2S_3 薄膜研究概况  19
  1.9 本论文的研究意义和研究内容  19-21
    1.9.1 论文的研究意义  19-20
    1.9.2 研究内容  20-21
第二章薄膜的制备过程及性能表征  21-26
  2.1 超声喷雾热解法制备CuInS_2 薄膜  21-24
    2.1.1 超声喷雾热解法设备  21-22
    2.1.2 实验试剂和实验仪器  22-23
    2.1.3 衬底的清洗  23
    2.1.4 薄膜样品的制备过程  23-24
  2.2 薄膜性能表征测试设备  24-26
    2.2.1 X 射线衍射分析(XRD)  24
    2.2.2 扫描电子显微镜分析  24
    2.2.3 紫外－可见光分光光度计  24-25
    2.2.4 电学性能的四探针法测量  25-26
第三章超声喷雾热解法CuInS_2 薄膜的制备与性能研究  26-47
  3.1 喷口-衬底距离对CuInS_2 薄膜结构和形貌的影响  26-28
  3.2 沉积时间对CuInS_2 薄膜结构和形貌的影响  28-30
  3.3 衬底温度对CuInS_2 薄膜结构和性能的影响  30-35
    3.3.1 衬底温度对CuInS_2 薄膜结构的影响  31-32
    3.3.2 衬底温度对CuInS_2 薄膜形貌的影响  32-33
    3.3.3 衬底温度对CuInS_2 薄膜电性能的影响  33-34
    3.3.4 衬底温度对CuInS_2 薄膜光性能的影响  34-35
  3.4 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜结构和性能的影响  35-41
    3.4.1 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜结构的影响  35-37
    3.4.2 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜组分的影响  37
    3.4.3 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜形貌的影响  37-38
    3.4.4 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜电性能的影响  38-39
    3.4.5 Cu/In 原子比对CuInS_2 薄膜光性能的影响  39-41
  3.5 退火温度对CuInS_2 薄膜结构和性能的影响  41-45
    3.5.1 退火温度对CuInS_2 薄膜结构的影响  41-42
    3.5.2 退火温度对CuInS_2 薄膜形貌的影响  42-43
    3.5.3 退火温度对CuInS_2 薄膜电性能的影响  43-44
    3.5.4 退火温度对CuInS_2 薄膜光性能的影响  44-45
  3.6 本章小结  45-47
第四章超声喷雾热解法In_2S_3 薄膜的制备与性能研究  47-61
  4.1 衬底温度对In_2S_3 薄膜结构和性能的影响  47-51
    4.1.1 衬底温度对In_2S_3 薄膜结构的影响  47-48
    4.1.2 衬底温度对In_2S_3 薄膜形貌的影响  48-49
    4.1.3 衬底温度对In_2S_3 薄膜电性能的影响  49-50
    4.1.4 衬底温度对In_2S_3 薄膜光性能的影响  50-51
  4.2 S/In 比对In_2S_3 薄膜结构和性能的影响  51-55
    4.2.1 S/In 比对In_2S_3 薄膜结构的影响  51-52
    4.2.2 S/In 比对In_2S_3 薄膜形貌的影响  52-53
    4.2.3 S/In 比对In_2S_3 薄膜组分的影响  53-54
    4.2.4 S/In 比对In_2S_3 薄膜电性能的影响  54
    4.2.5 S/In 比对In_2S_3 薄膜光性能的影响  54-55
  4.3 退火温度对In_2S_3 薄膜结构和性能的影响  55-60
    4.3.1 退火温度对In_2S_3 薄膜结构的影响  56-57
    4.3.2 退火温度对In_2S_3 薄膜形貌的影响  57-58
    4.3.3 退火温度对In_2S_3 薄膜电性能的影响  58-59
    4.3.4 退火温度对In_2S_3 薄膜光性能的影响  59-60
  4.4 本章小结  60-61
第五章超声喷雾热解法CuInS_2/In_2S_3 异质结的制备与性能研究  61-65
  5.1 样品的制备  61
  5.2 电极的制备  61-62
  5.3 结果与讨论  62-64
    5.3.1 CuInS_2/In_2S_3 异质结薄膜的结构分析  62
    5.3.2 CuInS_2/In_2S_3 异质结的性能测试  62-64
  5.4 本章小结  64-65
第六章总结与展望  65-67
  6.1 总结  65-66
  6.2 对后续工作的展望和建议  66-67
参考文献  67-73
致谢  73-74
作者在攻读硕士期间的主要研究成果  74

超声喷雾热解法太阳能电池用CuInS_2及In_2S_3薄膜材料的制备与性能研究

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