太阳能电池吸收层材料及过渡金属硼化物的合成与表征

【摘要】：地球上的化石能源逐日减少,人类消耗化石燃料对自然环境造成了巨大的污染,所以寻找一种可再生、无污染的能源成为当前的紧迫任务。在众多的可再生能源中,太阳能是一种非常有发展前途的绿色能源,有望成为人类未来广泛应用的新能源。Cu_2ZnSnS_4(CZTS)光伏材料的组成元素绿色无毒、在地壳中的含量巨大,而且CZTS的禁带宽度约1.4 eV,可以吸收几乎全部的可见光。该材料在可见光区吸收系数可达到104 cm-1,是非常有前景的太阳能电池吸收层材料。在CZTS制备的过程中,硫和锡在高温下易挥发,高温合成易造成样品成分偏离,产生杂相。而在较低温度下制备CZTS材料时,所合成材料的本征缺陷多,致密度低,晶粒尺寸较小,不利于载流子的运动,同时增大了光生电子或空穴的复合几率,最终导致太阳电池的光电转化效率降低。为了制备致密度好、晶粒尺寸大、单一相的CZTS,我们利用球磨和高压技术合成出了高质量的CZTS材料。本文以硫化锌(ZnS)、二硫化锡(SnS_2)和硫化亚铜(Cu_2S)为原料,利用机械球磨得到铜锌锡硫材料。接下来利用高压技术,在压力5 GPa和温度800oC条件下进行高压合成,获得接近理想化学配比的铜锌锡硫太阳能电池吸收层材料。该样品为P型半导体,其载流子浓度是报道数据的100倍,可用于制备高效率的太阳能电池。超硬材料具有高硬度、高体弹模量和高热导率等特点,被广泛应用于机械、电子、航空航天等领域,超硬材料的设计与开发对现代科技的发展具有重要意义。金刚石是目前已知硬度值最高的材料,在加工金属(如Fe、Co、Ni等)材料时,金刚石容易被催化劣化。立方氮化硼(c-BN)克服了催化劣化的问题,但c-BN的生产成本远远高于金刚石,大规模工业生产面临困难。近期人们发现将价电子密度高的金属元素(Mo,W,Pt等)与B,C,N等元素结合可以制备出超难压缩的金属化合物,这些金属硼化物在低载荷下呈现出超硬特性。本文以金属Mo薄膜、金属Mo片、金属W薄膜、金属W片和B4C粉末为起始材料,通过高温热处理技术,合成出Mo B,Mo_2B_4,WB,WB_2等金属硼化物。并且通过高温淬火得到的样品硬度较高。 【关键词】：太阳能电池 高压技术 过渡金属硼化物 硼化钼 硼化钨
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 太阳能电池研究简介11-12
• 1.2 超硬材料的研究背景12-15
• 1.2.1 超硬材料的性质12-13
• 1.2.2 金刚石13
• 1.2.3 立方氮化硼13-14
• 1.2.4 过渡族金属氮化物14-15
• 1.3 金属硼化物的发现与历史15-17
• 1.4 过渡族金属硼化物的研究现状17-18
• 1.5 硼化钼和硼化钨的性质、制备方法及用途18-20
• 1.5.1 硼化钼的性质、制备方法及用途18-19
• 1.5.2 硼化钨的性质、制备方法及用途19-20
• 1.6 本论文的选题依据及研究内容20-22
• 第二章 实验技术与表征手段22-28
• 2.1 样品制备技术22-25
• 2.1.1 行星式球磨机22-23
• 2.1.2 国产铰链式六面顶压机23-24
• 2.1.3 磁控溅射技术24-25
• 2.2 样品表征手段25-28
• 2.2.1 X-射线衍射(XRD)25
• 2.2.2 拉曼光谱（Raman）25-26
• 2.2.3 扫描电子显微镜(SEM)26-27
• 2.2.4 维氏硬度测量原理27-28
• 第三章 太阳能电池吸收层材料CZTS的合成与表征28-39
• 3.1 前言28
• 3.2 铜锌锡硫材料的制备28-30
• 3.3 铜锌锡硫材料的表征30-38
• 3.3.1 机械球磨实验30-32
• 3.3.2 高温烧结实验32-34
• 3.3.3 高压合成实验34-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 硼化钼和硼化钨的合成与表征39-56
• 4.1 前言39-40
• 4.2 硼化钼、硼化钨的制备40-42
• 4.2.1 磁控溅射法制备金属钼、金属钨薄膜40-41
• 4.2.2 高温渗硼法制备硼化钼和硼化钨41-42
• 4.3 实验结果与表征42-55
• 4.3.1 金属钼薄膜42-43
• 4.3.2 金属钨薄膜43-46
• 4.3.3 高温渗硼法制备硼化钼样品的表征46-51
• 4.3.4 高温渗硼法制备硼化钨样品的表征51-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 主要的研究成果及展望56-57
• 参考文献57-63
• 在校期间的科研成果63-64
• 致谢64

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