| 新型多元硫化物光伏材料的制备与性能研究 | |
| 姜欣 | |
| Subtype | 工学博士 |
| Thesis Advisor | 陈建敏 |
| 2013-12-02 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 多元硫化物 单源真空沉积 溶剂热法 太阳能电池 Polymetallic Sulfide Single-source Vacuum Deposition Solvothermal Route Solar Cells |
| Abstract | 多晶碲化镉(CdTe)、铜铟硫(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)等薄膜太阳能电池发展非常迅速，已经步入商业化阶段。但是，对重金属Cd的使用限制以及贵金属In和Te的供应短缺，制约了这类薄膜太阳能电池未来的大规模应用。因此，开发无毒、廉价的新型光吸收替代材料对未来薄膜太阳能电池的低成本规模化生产有十分重要的意义。在此背景下，以Cu2ZnSnS4，Cu2ZnSn(S,Se)4，Cu2FeSnS4，Cu2SnS3等为代表的多元硫化物半导体材料成为了当今光伏领域的研究热点。这类材料具有直接光学带隙、较高的光吸收系数、p型导电类型，材料无毒且来源丰富，被认为是CIGS理想的替代材料。本论文采用单源真空沉积技术和溶剂热法制备了一系列符合太阳能电池器件要求的多元硫化物半导体材料，包括Cu2ZnSnS4、Cu2FeSnS4，Cu2SnS3等。详细研究了制备条件对材料的结构、化学组成、形貌特征及光电学特性的影响，并将其成功应用于薄膜太阳能电池的吸收层和对电极。其中，首次尝试将三元硫化物Cu2SnS3应用于染料敏化电池对电极，并获得了良好的电池性能。与基于多源沉积的真空技术相比，本文采用的方法不需要复杂的多源真空设备和在线监控装置，可以有效降低制备成本，且操作简便适合规模化制备。本文的主要研究结果如下： 1. 提出了一种可以有效调控Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜组分的单源热蒸发技术，成功制备了高质量的CZTS薄膜。详细研究了蒸发源组分和硫化温度对薄膜成分、结构、形貌和光电学性能的影响。研究发现通过调节蒸发源中各金属元素的含量可以有效调节CZTS薄膜的组分。采用贫铜蒸发源在550 ℃的硫化温度下得到了组分合计量比、形貌均匀、光学带隙为1.5 eV的纯相CZTS薄膜，非常适合用于薄膜太阳能电池的吸收层。在此基础上，改进了反应退火方案，将金属前驱体置于含S和Se的混合气氛中同步硫硒化，成功制备了五元CZTSSe薄膜，并研究了其结构、组成、形貌和光电学性质。 2. 以Cu-Zn-Sn合金为溅射靶材，采用单靶直流磁控溅射金属前驱体后硫化方法，成功制备了CZTS薄膜。系统地研究了溅射气压和溅射功率对CZTS薄膜组分、结构、形貌和光电学性能的影响。结果表明薄膜中Cu元素的含量随着溅射气压和直流功率的增加而增加，通过优化沉积条件可以改善薄膜的微观结构。采用溅射气压1.0 Pa, 溅射功率30 W制备的前驱体经硫化之后，得到了物相单一、结构致密的CZTS薄膜。对薄膜光学和电学性能进行了表征，结果表明制备的CZTS薄膜符合薄膜太阳能电池的应用需求。 3. 利用温和的溶剂热法成功合成了具有不同形貌和尺寸的CZTS颗粒。详细研究了反应温度、反应时间和硫源对CZTS颗粒的物相、结构、组成和形貌的影响。深入探讨了溶剂热合成CZTS花状颗粒的反应机理和生长过程。以合成的CZTS纳米晶为原料，通过旋涂方法制备了CZTS吸收层，并成功组装了CZTS电池器件。 4. 首次利用溶剂热方法合成了具有高结晶度、大晶粒尺寸的新型光伏材料Cu2FeSnS4(CFTS)微纳米晶。详细研究了不同反应条件如反应温度、溶液浓度、反应时间、溶剂和硫源对CFTS微纳米晶的物相、结构、组成和形貌的影响。研究发现溶剂热合成纯相CFTS的临界温度为220 ℃，低于此温度会有杂质相生成；通过改变溶剂和硫源可以调控CFTS粒子的形貌和尺寸；讨论了CFTS粒子的生长机理。合成的CFTS纳米粒子在可见光范围具有很宽的光谱响应，光学带隙为1.28 eV，适合作为薄膜太阳能电池的吸收材料。 5. 利用溶剂热法在钼衬底上原位生长了Cu2ZnSnS4和Cu2SnS3(CTS)多孔薄膜。研究了热处理和溶剂对薄膜结构和形貌的影响。将制备的多孔薄膜应用于染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极，显示了良好的催化性能。以CZTS和CTS多孔薄膜作对电极，分别获得了效率为5.16%和3.35%的DSSC电池器件。 |
| Funding Project | 磨损与表面工程课题组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6505 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 姜欣. 新型多元硫化物光伏材料的制备与性能研究[D]. 中国科学院大学,2013. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 201316姜欣.pdf（6608KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment