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电沉积法制备CuInS_2和CuInSe_2薄膜的研究

作　者: 刘红娟
导　师: 汪雷；杨德仁
学　校: 浙江大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: CuInS2 CuInSe2 薄膜太阳电池 电沉积
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 193次
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内容摘要


随着传统石化能源的日益减少,太阳能作为一种重要的可再生能源逐渐成为人们关注的热点。光伏发电是太阳能利用研究领域中最重要的发展方向之一。过去的几十年里,全球光伏产业发展迅速。目前占市场份额90%以上的是晶体硅太阳电池,由于其使用的原材料高纯硅价格较高,生产过程中能耗高,电池生产成本难以降低,阻碍了它的进一步大范围应用。近年来,薄膜太阳电池由于具有低成本、高性能等优点而引起了人们的广泛关注。CuInS2和CulnSe2（CIS）等Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物薄膜电池具有高理论转换效率、直接禁带、高光吸收系数、禁带宽度与太阳光谱相匹配和稳定性好等优点,因此成为很有发展前景的下一代太阳电池。普遍采用的真空法制备此类CIS薄膜虽然成膜质量较好,但设备和技术要求都很高,导致成本较高。采用非真空法如喷涂,颗粒涂覆,电沉积等制备CIS薄膜设备简单,投资少,薄膜的生产成本低,而且容易大面积成膜,有望实现CIS薄膜太阳电池工业化大规模量产,具有很好的发展前景。采用电沉积法制备CIS薄膜易于控制薄膜的厚度,可在大尺寸和形状复杂的衬底上沉积薄膜,并且电沉积过程在室温下进行,能量损耗低。一步电沉积法与两步电沉积法相比,能同时将三种元素还原到衬底上,易于控制薄膜的成分,获得缺陷较少的高质量CIS薄膜。本文利用一步电沉积法制备了CuInS2和CuInSe2薄膜,对制备的薄膜进行了分析和表征,并初步制备了CuInS2薄膜太阳电池原型器件。本论文取得的主要成果如下:1.利用一步电沉积法制备出具有不同Cu/In比的均匀致密的CuInS2薄膜,薄膜的厚度约为1—2μm,薄膜为黄铜矿结构,禁带宽度约为1.47 eV,呈p型。研究了沉积电位、衬底、Cu/In比、pH值、柠檬酸钠用量和原材料等对先驱体薄膜的影响以及后续热处理条件对CulnS2薄膜的影响。2.在一步电沉积法制备CuInS2薄膜的基础上初步制备出结构为Mo/CuInS2/CdS/ZnO/ITO/C的薄膜太阳电池原型器件。电池的平均开路电压为350mV,平均短路电流为3mA/cm2,填充因子为20%,最高转化效率为0.57%。3.利用一步电沉积法制备出均匀致密的CuInSe2薄膜,薄膜的厚度约为1-2μm,黄铜矿结构。研究了沉积电位和衬底对先驱体薄膜的影响以及后续热处理条件对CuInSe2薄膜的影响。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第一章 前言  13-15
第二章 文献综述  15-34
  2.1 太阳电池概况  15-26
    2.1.1 发展太阳电池的意义  15-17
    2.1.2 太阳电池的工作原理和性能指标  17-20
    2.1.3 太阳电池的种类及应用  20-24
    2.1.4 发展CIS薄膜太阳电池的意义  24-26
  2.2 CIS薄膜太阳电池的研究进展  26-32
    2.2.1 国内外CIS太阳电池研究现状  26
    2.2.2 CIS的晶体结构与材料性能  26-28
    2.2.3 CIS薄膜的制备方法  28-31
    2.2.4 CIS薄膜太阳电池的结构  31-32
  2.3 电沉积法制备CIS薄膜的原理  32-33
    2.3.1 一步电沉积法制备CIS薄膜的原理  32-33
    2.3.2 两步电沉积法制备CIS薄膜的原理  33
  2.4 本论文的研究目的和内容  33-34
第三章 实验部分与设备  34-38
  3.1 实验设计  34-35
    3.1.1 一步电沉积CuInS_2薄膜  34-35
    3.1.2 一步电沉积CuInSe_2薄膜  35
  3.2 实验设备  35-36
    3.2.1 电化学沉积设备  35-36
    3.2.2 管式炉热处理设备  36
    3.2.3 快速热处理设备  36
  3.3 测试设备  36-38
    3.3.1 扫描电子显微镜和能谱仪  36
    3.3.2 X射线衍射仪  36-37
    3.3.3 可见光吸收谱仪  37
    3.3.4 霍尔测试设备  37
    3.3.5 太阳光模拟测试设备  37-38
第四章 一步电沉积CuInS_2薄膜  38-66
  4.1 引言  38
  4.2 实验  38-39
  4.3 结果与讨论  39-64
    4.3.1 沉积电位对薄膜的影响  39-42
    4.3.2 衬底对CuInS_2薄膜表面形貌的影响  42-44
    4.3.3 电解液体系对CuInS_2薄膜的影响  44-54
    4.3.4 一步电沉积制备CuInS_2先驱体薄膜的生长过程  54-55
    4.3.5 热处理对CuInS_2薄膜的影响  55-60
    4.3.6 KCN处理对CuInS_2薄膜的影响  60-61
    4.3.7 CuInS_2薄膜太阳电池原型器件的制备  61-64
  4.4 结论  64-66
第五章 一步电沉积CuInSe_2薄膜  66-76
  5.1 引言  66
  5.2 实验  66-67
  5.3 实验结果与讨论  67-74
    5.3.1 沉积电位和衬底对CuInSe_2薄膜的影响  67-71
    5.3.2 热处理对CuInSe_2薄膜的影响  71-74
  5.4 结论  74-76
第六章结论  76-78
参考文献  78-85
附录:攻读硕士期间发表的论文及申请专利  85

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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
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