化学浴沉积法制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层材料CdS

【摘要】：当前,随着化石能源的日益枯竭以及环境污染等问题迫使人们寻求可替代的再生新能源。而且光伏产业正在成为各国经济发展的战略新兴产业。其中作为第三代的薄膜太阳能电池铜铟镓硒(CIGS)也在逐渐产业化。然而,在如何进一步提高电池效率以及大规模产业化确保重复性方面还存在很多障碍。铜铟镓硒太阳能电池涉及很多层薄膜材料的制备,工艺复杂,每一层材料的制备都会对电池性能有影响。本论文就化学浴沉积法合成缓冲层材料CdS薄膜的工艺及其生长机制进行了一些研究。 化学浴沉积法制备CdS薄膜主要涉及到两种机制:ion-by-ion和cluster-by-cluster;两种机制生长出来的薄膜具有不同的物理性质。条件的改变(如温度、浓度、pH值、沉积时间等)会对薄膜的生长速率,表面形貌,晶体结构,光学性质等产生很大的影响。由于反应物浓度和pH值的影响在文献中已经有很多报道,本文着重选取了沉积温度和时间对薄膜性能的影响。 在60oC、70oC、80oC、90oC条件下,沉积不同时间得到CdS薄膜,对其进行SEM、XRD以及OT表征,根据Urbach公式计算带隙。随着沉积温度的增加,薄膜生长速率加快直到达到饱和厚度,然后由于剥蚀,进一步反应薄膜厚度会降低。本文提出,不论温度,薄膜的生长一开始由ion-by-ion机制占主导,随着时间的进行,cluster-by-cluster机制控制着反应。并从表面形貌,晶体结构,带隙值变化等方面对这一生长机制作出了合理的解释。 另外,尽管铜铟镓硒太阳能电池在未来几年仍有很大发展潜力,但由于铟在地壳中的分布量比较小,其最终势必会受到限制。类似铜铟镓硒(CuInxGa1‐xSe2)薄膜的铜锌锡硫薄膜(Cu2ZnSnS4)正在引起实验室的广泛关注。它们具有相同的黄铜矿晶体结构,类似的光电性质。铜锌锡硫薄膜的直接带隙为1.4ev‐1.5ev,其中的各种基本元素在地壳中分布广泛且无毒。且目前采用共蒸发法,效率为6.77%的CZTS太阳能电池已经被制备出。因此,本论文在非真空法制备CZTS薄膜方面也做了一些初步的探索。 利用Sol‐Gel法合成金属前驱体,在氢气氛中退火,最后硫化的过程得到CZTS薄膜。 【关键词】：化学浴沉积 CdS薄膜 非真空法 CZTS薄
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-22
• 1.1 本课题研究的背景及意义7-8
• 1.2 太阳能电池的分类及基本原理8-15
• 1.2.1 无机半导体太阳能电池原理9-12
• 1.2.2 染料敏化纳米晶太阳能电池原理12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池原理13-15
• 1.3 铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池15-19
• 1.3.1 薄膜太阳能电池研究综述15
• 1.3.2 CIGS 薄膜太阳能电池结构15-18
• 1.3.3 CIGS 薄膜太阳能电池研究现状18-19
• 1.4 本章小结19-20
• 参考文献20-22
• 第二章 CdS 多晶薄膜及CIGS 缓冲层材料22-39
• 2.1 CdS 薄膜的性质22
• 2.2 CdS 多晶薄膜的常见制备方法22-28
• 2.2.1 化学浴沉积法（CBD）22-24
• 2.2.2 电化学沉积法24-26
• 2.2.3 近空间升华法（CSS）26-27
• 2.2.4 真空蒸发与磁控溅射27-28
• 2.3 CdS 多晶薄膜的应用28-30
• 2.3.1 CdS/CdTe 异质结太阳能电池28-30
• 2.4 CIGS 太阳能电池缓冲层材料30-36
• 2.4.1 晶格失配率的计算30-31
• 2.4.2 异质结的能带结构31-34
• 2.4.3 缓冲层材料的发展34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 参考文献37-39
• 第三章 温度和时间对化学浴沉积法制备多晶CdS 薄膜性能的影响39-59
• 3.1 引言39-41
• 3.2 实验过程41-45
• 3.3 薄膜的生长速率45-47
• 3.3.1 阿伦尼乌斯方程46-47
• 3.4 温度和沉积时间对薄膜表面形貌的影响47-48
• 3.5 XRD 表征薄膜的晶体结构48-51
• 3.6 多晶CdS 薄膜的紫外‐可见‐红外光透射谱51-52
• 3.7 CdS 多晶薄膜的带隙值分析52-56
• 3.7.1 透射光谱计算薄膜带隙52-54
• 3.7.2 CdS 多晶薄膜带隙值变化54-56
• 3.8 本章小结56-57
• 参考文献57-59
• 第四章 非真空法制备 CZTS 薄膜的初步探索59-67
• 4.1 CZTS 薄膜概述59-61
• 4.2 CZTS 薄膜的制备61-63
• 4.3 CZTS 薄膜的表征63-64
• 4.3.1 SEM 及EDX 表征63-64
• 4.3.2 XRD 表征64
• 4.4 本章小结64-65
• 参考文献65-67
• 致谢67-68
• 在读期间发表的学术论文68

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