纳米颗粒前驱体非真空法制备CIS薄膜及光伏器件研究

【摘要】：CuInSe2（简称CIS）及其衍生物的光学带隙与太阳光谱较为匹配，具有较大的吸收系数、较低的成本、较高的理论转换效率、较好的稳定特性等优点，是最有发展前途的太阳能电池之一。CIS电池是以CIGS薄膜为光吸收层材料的太阳电池，其制备方法主要包括真空法和非真空法两类：真空法制备的CIS薄膜质量较好，电池效率高，但真空设备昂贵，相应成本较高。而非真空法则具有设备简单、成本低廉、操作简便、可大规模生产等优势。本文采用非真空纳米前躯体法制备CIS薄膜及其光伏器件，以期为该技术的工业化应用奠定基础。本论文的主要内容具体如下： 第一部分是Cu-In纳米粉体的制备以及CIS前驱体薄膜的制备。采用非真空的方法：溶剂热法与热注入法分别制备Cu-In纳米前驱体颗粒。溶剂热最终制备出了平均粒径为2um的硫化铜和平均粒径为4um硫化铟粉体。热注入法制备Cu-In粉体的过程中，先后探讨了原料中的Cu-In比例、反应时间对于结果中粉体的Cu-In比例的影响，得到以下结论：当反应时间为15分钟，原料中的Cu-In配比为1:1时所制备的粉体中的Cu-In比例接近于化学计量比。 第二部分是对所制备出的Cu-In的前驱体薄膜进行硒化处理。本文中采用两种不同的硒化工艺：RTP硒化和双温区硒化分别进行硒化，并对比两种硒化工艺的硒化效果。对比两种方式的硒化结果我们发现在本实验中RTP的硒化效果要优于双温区的。因此，我们主要采用RTP工艺进行硒化并对硒化条件如硒化温度、硒化时间等进行探讨。最后总结出对于本实验中制备的Cu-In的前驱体薄膜时硒化的最佳的条件为：硒化温度550℃,硒化时间35min。在该最佳条件下得到的CIS薄膜的晶粒尺寸较为明显，达到1.1um左右，薄膜比较致密，晶粒间的孔洞和缝隙几乎没有。得到的CIS薄膜的光学带隙值为1.01eV，接近于报道中的最佳光学带隙值（1.04eV）。 第三部分是低成本、高效CIS薄膜太阳能电池的制备。对硒化后的CIS薄膜采用CBD（化学水浴法）工艺沉积CdS缓冲层薄膜；然后通过磁控溅射的方式沉积ZnO／AZO窗口层薄膜；Ni/Al电极的制备等的一系列后续的步骤进行电池器件的制备。最后对电池电信号的测试，使用万用表测得电池的开路电压约在420mV左右。通过不断的完善制备工艺使得所制备的CIS薄膜电池的性能能够达到最大的优化。 【关键词】：铜铟硒CIS 非真空法 溶剂热法 热注入法 RTP硒化
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 致谢8-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 太阳能电池的研究背景及发展现状15-16
• 1.1.1 太阳能电池的研究背景15
• 1.1.2 国内外太阳能电池的发展状况15-16
• 1.2 太阳能电池的分类16-17
• 1.2.1 硅系薄膜太阳能电池17
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池17
• 1.3 CIS 系列薄膜太阳能电池简介17-26
• 1.3.1 CIS 系列薄膜太阳能电池发展概述17-20
• 1.3.2 CI(G)S 电池的结构及吸收层的性质20-22
• 1.3.3 CIS 薄膜的制备方法及存在的问题22-26
• 1.4 本论文的主要研究内容及研究意义26-28
• 第二章 CIS 薄膜电池的工作原理及薄膜的表征方法简介28-36
• 2.1 太阳能电池的工作原理28-29
• 2.1.1 半导体的内光电效应28
• 2.1.2 太阳能电池的能量转换过程28-29
• 2.2 太阳能电池中相关的理论计算29-31
• 2.2.1 空间电荷区29-30
• 2.2.2 短路电流和开路电压30-31
• 2.2.3 填充因子和转换效率31
• 2.2.4 太阳光谱31
• 2.3 CIS 薄膜电池异质结物理特性31-33
• 2.3.1 CIS 薄膜电池的异质结机理31-32
• 2.3.2 CIS 薄膜电池的异质结能带结构32-33
• 2.3.3 CIS 薄膜太阳能电池材料的基本要求33
• 2.4 前驱体颗粒及 CIS 薄膜材料的表征33-36
• 2.4.1 X 射线衍射仪(XRD)33-34
• 2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)34-35
• 2.4.3 透射电子显微镜(TEM)35-36
• 第三章 铜铟纳米颗粒及铜铟硒 CIS 薄膜的制备36-60
• 3.1 引言36
• 3.1.1 溶剂热法简介36
• 3.1.2 热注入法简介36
• 3.2 溶剂热法制备铜铟粉体工艺方法的探索36-40
• 3.2.1 实验的设计36-37
• 3.2.2 溶剂热法制备硫化铜、硫化铟纳米粉体37
• 3.2.3 实验的过程及结果分析37-40
• 3.3 热注入法制备铜铟粉体工艺方法的探索40-59
• 3.3.1 实验的设计40-42
• 3.3.2 热注入法制备铜铟 Cu-In 合金粉体的实验过程42-43
• 3.3.3 实验结果及分析43-49
• 3.3.4 前驱体薄膜的制备49-50
• 3.3.5 前驱体薄膜的硒化工艺探索50-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第四章 CIS 薄膜太阳能电池器件的制备及性能测试60-64
• 4.1 引言60
• 4.2 CIS 薄膜太阳能电池制备的流程图60-64
• 4.2.1 钠钙玻璃的清洗、干燥60-61
• 4.2.2 背电极 Mo 层的制备61-62
• 4.2.3 化学浴沉积缓冲层 CdS 薄膜62-63
• 4.2.4 磁控溅射法制备窗口层薄膜63
• 4.2.5 蒸发法制备顶电极63
• 4.2.6 电池效率的测量63-64
• 第五章 总结64-66
• 5.1 已取得的实验结果64-65
• 5.2 展望65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文72-74

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