CuInS_2敏化TiO_2太阳能电池光阳极材料的制备与表征

【摘要】： 基于太阳能的综合利用，系统地阐述了太阳能电池的发展历史，及太阳能电池的材料、结构、发展状况和存在的问题等，提出了用铜铟硫(CuInS_2)敏化二氧化钛(TiO_2)研究太阳能电池的思路。 TiO_2是一种廉价、安全、应用范围广的太阳能电池材料，但由于禁带宽度较大(3．2 eV)，只能吸收太阳光中的紫外部分，导致其转化效率较低，因此要对其进行敏化，达到提高转化效率的目的。采用有机染料敏化TiO_2太阳能电池，自1991年以来一直是太阳能研究领域的一个热点，但有机染料存在成本高、寿命短、性能不稳定等缺点。因此，采用无机半导体敏化剂取代有机染料已成为太阳能电池的一个新的研究领域。 CuInS_2是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ_2型无机三元半导体化合物，吸收系数较大，约为10~4-10~5cm~(-1)，是直接带隙的半导体，禁带宽度为1．50 eV，接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度(1．45 eV)。与CuInSe_2相比，CuInS_2不含任何有毒的成分，是一种非常具有发展前途的太阳能电池材料。但目前存在的问题主要是制备CuInS_2的工艺路线复杂，成本较高，阻碍了CuInS_2太阳能电池向实用化发展。因此，急需一种简便易行且成本低的方法。 论文基于上述原因，围绕三元合金Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ_2族化合物半导体CuInS_2的可控合成与表征等方面开展了相关研究工作。 论文研究共分为三个部分：一是研究采用溶剂热法制备的CuInS_2粉体颗粒；二是研究采用连续离子层反应法(SILAR)制备的CuInS_2薄膜；三是研究CuInS_2粉体颗粒敏化的TiO_2光电极。并采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、透射电镜(TEM)、电子衍射图谱(SAED)、紫外可见光谱(UV-vis)等测试手法对样品进行了表征。 用溶剂热法制备了形貌尺寸可控的CuInS_2粉体颗粒，并研究了不同溶剂、反应物配比、反应温度、反应时间、填充度、pH值及表面活性剂对CuInS_2的影响。用该方法制备CuInS_2粉体的合适工艺参数为：以无水乙醇为溶剂，反应物配比为Cu：In：S=1：1：4，反应温度为150℃，反应时间为6 h，填充度为80％，添加的表面活性剂为PVP。 采用SILAR制备的CuInS_2薄膜基本能满足太阳能电池吸收层材料的要求。但由于薄膜在常规条件下制备，无惰性气体的保护，在循环过程中很容易被空气氧化，且薄膜表面平整度较差，存在部分缺陷，导致禁带宽度变大。 用CuInS_2粉体颗粒敏化后的TiO_2光阳极材料吸收明显高于未敏化的，且其吸收边红移至800 nm左右，可吸收大部分的可见光。不同尺寸的CuInS_2粉体颗粒敏化后的光阳极材料禁带宽度为1．54-1．72 eV，可满足太阳能电池材料的需要。但其转换效率较低，有待进一步研究。 【关键词】：太阳能电池 TiO_2 CuInS_2 溶剂热法 连续离子层反应法
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 研究背景9
• 1.2 太阳能电池的评价指标9-10
• 1.2.1 单色光转换效率9-10
• 1.2.2 短路电流10
• 1.2.3 开路电压10
• 1.2.4 填充因子10
• 1.2.5 转换效率10
• 1.3 太阳能电池的分类10-16
• 1.3.1 硅太阳能电池11
• 1.3.2 无机化合物薄膜电池11-12
• 1.3.3 功能有机高分子薄膜太阳能电池12
• 1.3.4 纳米晶太阳能电池12-16
• 1.4 CuInS_2半导体性质16-17
• 1.4.1 晶体结构16-17
• 1.4.2 光学性能17
• 1.4.3 电学性能17
• 1.5 CuInS_2的制备方法17-20
• 1.5.1 溶剂热法18-19
• 1.5.2 连续离子层反应法19-20
• 1.6 选题的目的与意义20-22
• 第2章 实验方法22-27
• 2.1 实验方案22
• 2.2 实验药品及试剂22-23
• 2.3 实验设备23
• 2.4 样品的制备23-25
• 2.4.1 TiO_2膜的制备23
• 2.4.2 CuInS_2的制备23-25
• 2.4.3 光阳极材料的制备25
• 2.5 样品分析测试方法25-27
• 2.5.1 X射线衍射(XRD)25
• 2.5.2 透射电镜(TEM)25
• 2.5.3 场发射扫描电镜(FESEM)25
• 2.5.4 紫外可见光谱(UV-vis spectrum)25-26
• 2.5.5 光电化学特性测试26-27
• 第3章 溶剂热法制备CuInS_2粉体颗粒27-45
• 3.1 实验部分27
• 3.2 实验结果与分析27-44
• 3.2.1 不同原料配比的影响28-31
• 3.2.2 不同反应温度的影响31-34
• 3.2.3 不同反应时间的影响34-36
• 3.2.4 不同填充度的影响36-39
• 3.2.5 不同pH值的影响39-43
• 3.2.6 表面活性剂的影响43-44
• 3.3 小结44-45
• 第4章 SILAR法制备CuInS_2薄膜45-49
• 4.1 实验部分45
• 4.1.1 衬底的处理45
• 4.1.2 前驱体溶液的制备45
• 4.1.3 CuInS_2薄膜的制备45
• 4.2 实验结果与讨论45-48
• 4.3 小结48-49
• 第5章 CuInS_2敏化TiO_2光阳极材料的制备49-58
• 5.1 引言49-50
• 5.2 光阳极材料的结构与制备50-52
• 5.2.1 纳米致密TiO_2薄膜的制备50-52
• 5.2.2 TiO_2多孔膜阳极材料的制备52
• 5.2.3 敏化剂的沉积制备52
• 5.3 光阳极材料性能的测试及结果52-57
• 5.3.1 致密TiO_2薄膜的性质52-53
• 5.3.2 TiO_2多孔膜的结构和形貌53-54
• 5.3.3 CuInS_2敏化TiO_2光阳极材料的性能54-57
• 5.4 小结57-58
• 第6章 结论58-59
• 参考文献59-65
• 致谢65-66
• 附录66

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