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旋涂法制备CuInS_2薄膜太阳能电池光吸收层

作　者: 汪雯
导　师: 江国顺
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 材料学
关键词: 铜铟硫 共沉淀 纳米颗粒 旋涂 退火 扩散控制
分类号: TM914.42
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


铜铟硫（CuInS2）薄膜太阳电池由于具有高的转换效率、长期稳定性、无毒等优点而成为光伏界研究的热点。本论文主要是从高效低成本的角度出发,研究电池中的光吸收层的非真空制备工艺,以期能为CuInS2薄膜太阳电池的大规模工业化生产奠定基础。具体工艺路线为:首先以共沉淀法制备铜铟的纳米硫化物混合粉末,然后以该混合粉末在氢气中退火得到的混合物为前驱物调制浆料并旋涂成膜,最后将预置膜在含有硫的气氛中退火得到具有单一黄铜矿结构的CuInS2薄膜。在论文中,首先考察了共沉淀反应的pH值的变化对共沉淀产物的影响。分别选择pH为1、3、5作为共沉淀的反应条件,将所得沉淀分别在Ar气氛中500 oC退火30min。X射线衍射（XRD）分析结果表明当共沉淀的pH值为1时,所得沉淀烧结后只含有CuInS2的黄铜矿相,不含有In2O3和CuO等杂相,因此确定pH=1是较为合适的共沉淀反应pH值。其次,考察了H2退火对制备的薄膜的影响。以共沉淀法所得的硫化物混合粉末及其在H2中退火后所得的混合粉末分别作为前驱物制备CuInS2薄膜。扫描电子显微镜（SEM）、电子能谱（EDS）、XRD以及Raman测试结果显示,在这两种薄膜中都形成了CuInS2的黄铜矿相,但以在H2中退火后的粉体为前驱物制备的薄膜质量显著提高,薄膜的排列密度更高,杂质相消失了,而且质量也大大提高了。因此,对共沉淀所得硫化物粉末进行H2退火是实验中必不可少的环节。吸收光谱测得制备的CuInS2薄膜的带隙约为1.45eV。论文还对硫化的反应机理进行了探讨,发现形成CuInS2的过程是通过Cu-In合金的分解完成的。也就是说Cu-In合金中的Cu和In原子通过扩散穿过最初形成的CuInS2到达薄膜表面与S发生反应,即硫化过程是受原子的扩散速率控制的。最后,摸索了硫化过程的一些工艺参数,如硫化的温度、时间等。实验结果表明,520oC是比较好的硫化温度,硫化时间为15min比较合适。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-23
  1.1 太阳能电池概述  9-16
    1.1.1 太阳能电池发展背景及意义  9
    1.1.2 太阳能电池发展历程及现状  9-11
    1.1.3 太阳能电池的分类  11-12
    1.1.4 太阳能电池的工作原理和基本特性  12-16
      1.1.4.1 太阳能电池的工作原理  12-15
      1.1.4.2 太阳能电池的基本特性  15-16
  1.2 CuInS_2薄膜太阳能电池简介  16-21
    1.2.1 CuInS_2 薄膜太阳能电池的发展历史和研究现状  16
    1.2.2 CuInS_2 薄膜太阳能电池的产业化情况  16-17
    1.2.3 CuInS_2 薄膜太阳能电池的结构  17-18
    1.2.4 CuInS_2 材料的基本性质  18-19
    1.2.5 CuInS_2 薄膜材料的制备  19-21
      1.2.5.1 真空蒸发法  19-20
      1.2.5.2 硫化法  20-21
  1.3 论文的选题及结构  21-23
    1.3.1 选题目的及研究内容  21
    1.3.2 论文的结构  21-23
第2章 旋涂法制备 CuInS_2薄膜以及样品的表征方法  23-28
  2.1 旋涂法制备CuInS_2薄膜  23-27
    2.1.1 实验仪器及试剂  24
    2.1.2 衬底材料的选择及前处理  24-25
    2.1.3 纳米前驱物混合粉末的制备  25
    2.1.4 H2 退火处理  25
    2.1.5 前驱物墨水的配制  25-26
    2.1.6 旋涂法制备预置薄膜  26
    2.1.7 薄膜的预处理以及硫化  26-27
  2.2 样品表征方法  27-28
第3章 实验结果与分析  28-43
  3.1 pH 值的变化对共沉淀产物的影响  28-31
  3.2 H2退火对制备的薄膜的影响  31-37
    3.2.1 表面形貌和EDS 结果分析  31-34
    3.2.2 XRD 分析  34-35
    3.2.3 Raman 结果分析  35
    3.2.4 光学性能  35-36
    3.2.5 硫化反应机理探讨  36-37
  3.3 硫化工艺参数的摸索  37-43
    3.3.1 硫化温度对CuInS_2 薄膜的影响  37-40
      3.3.1.1 不同硫化温度的CuInS_2 薄膜的XRD 分析  38-39
      3.3.1.2 不同硫化温度的CuInS_2 薄膜的SEM 和EDS 分析  39-40
    3.3.2 硫化时间对CuInS_2 薄膜的影响  40-43
      3.3.2.1 XRD 分析  40-41
      3.3.2.2 SEM 表面形貌和EDS 结果分析  41-43
第4章 结论  43-45
  4.1 研究成果  43-44
  4.2 存在问题及发展前景展望  44-45
参考文献  45-47
在读期间发表的学术论文  47-48
致谢  48

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池 > 薄膜太阳能电池
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