电化学沉积法制备CdTe/CdS薄膜太阳能电池及性能研究

【摘要】：能源是当今社会发展水平的标志，而太阳能来源无穷无尽，具有稳定性和很高的安全保障性，比其他可再生能源在技术方面有更大的潜力，充分说明太阳能是未来能源的主力之一。而太阳能利用中，除了光热利用外，最主要思路是光伏发电，通过P-型和N-型半导体材料的复合，在其界面上形成P-N结，促使光生电子-空穴对有效分离，因此，不同性质的半导体材料得到了各个科研小组的广泛研究。 碲化镉（CdTe）是一种P型半导体材料，室温下禁带宽度为1.45eV，属直接跃迁型能带结构，很接近太阳能电池需要的最优能隙，吸收系数大，可以有效吸收可见光能量，具有很高的理论转换效率(28%)，因此成为制备高效率，低成本的多晶薄膜太阳能电池的理想的吸收层材料。硫化镉（CdS）是一种非常重要的直接带隙太阳电池材料。CdS薄膜带隙较宽，为2.42eV，吸收系数较高，为104～105cm-1，它的电子亲和势为4.5eV，和二氧化锡（SnO2）接近，能和SnO2形成良好的欧姆接触。CdS多晶薄膜在异质结太阳电池中是一种很重要的n型窗口材料。CdTe薄膜太阳电池通常以碲化镉/硫化镉（CdTe/CdS）异质结为基础，尽管CdS和CdTe晶格常数相差约10%，但它们组成的异质结电学性能优良。CdTe/CdS薄膜太阳能电池是薄膜太阳能电池中发展较快的一种光伏器件，相比于硅太阳能电池，CdTe/CdS薄膜太阳能电池有着很大的挖掘潜力，并且其制造成本显著降低。 以往的CdTe太阳电池的制作方法主要有磁控溅射、近程蒸发、热蒸发、化学沉积等，鉴于改善CdTe薄膜太阳能电池的性能和有效降低CdTe薄膜太阳能电池的工艺成本，以利于实现低成本规模化生产，这需要进行CdTe太阳能电池的新型结构设计和新的制备方法研究。 电沉积方法操作简单，成本低廉，容易控制，十分适合于大面积、成膜均匀致密的半导体薄膜材料的制备，易于实现大规模生产。本文中，我们以镍片为基底，采用电化学沉积方法在其表面制备CdTe薄膜，研究了不同电沉积条件对CdTe薄膜形貌及性能的影响，接着采用电化学沉积法在其表面生长CdS薄膜，最后组装成整体的CdTe/CdS复合薄膜光电池模块，对其性能进行了研究。主要工作如下： (1)以镍片为基底，采用硫酸镉、亚碲酸钠的酸性溶液体系合成了不同形貌的CdTe薄膜，在-0.50V沉积电位下在镍片上沉积制备出了均匀、致密、结晶性好的CdTe纳米棒阵列。在-0.75V沉积电位下制备了菜花状CdTe阵列薄膜。所制备的CdTe均为闪锌矿结构，沿[111]方向择优生长，两种形貌薄膜所构成的光电化学电池的光电转换效率分别为0.32%及0.61%。同时发现改变沉积电位能够调整CdTe化合物的元素比例及在一定范围内调节所沉积CdTe的带隙。在电解液中加入适量的阳离子表面活性剂CTAB可以制备出整体质地致密、平整的闪锌矿型CdTe薄膜。发现CTAB在电沉积过程中对CdTe薄膜的元素比例调控起到很重要的作用，并分析了其作用机理。 (2)首次采用电化学沉积法，以硫酸镉、硫代硫酸钠与柠檬酸的电解液体系在所得CdTe薄膜的表面沉积生长了CdS薄膜。并对各种反应条件对薄膜的元素比例、形貌特征、晶体结构与取向、晶体质量等的影响进行了研究。发现电解液中柠檬酸的存在有利于获得平整致密的CdS层，通过改变沉积电位可以调节所沉积CdS薄膜的元素组分，对于获得n-CdS薄膜的最佳沉积电位为-0.9V。所得CdS薄膜为纤锌矿结构，都具有[002]的择优取向，且[002]方向延薄膜法线方向。 (3)制备了镍箔/Ni2.86Te2/p-CdTe/n-CdS/CdS:In/ITO结构的CdTe/CdS薄膜太阳能电池模块。我们将在空气中CdCl2热处理与热蒸发沉积生长SnO2透明导电薄膜同时进行，发现电池模块的效率随着热处理温度的提高而提升，综合最优的热处理温度为450℃。所得电池效率为3.0%。通过热蒸发氯化亚锡和氯化铟混合物，在CdS表面沉积生长出了In掺杂SnO2透明导电薄膜。所得电池模块的光电效率达到5.05%，显著高于SnO2透明导电薄膜的情况。其原因在于In的掺杂形成了SnO2:In，提高了薄膜的电导率，同时In掺杂到CdS中形成了低阻CdS:In层，从而提高了对分离电荷的收集效率。 本文提出的镍箔/Ni2.86Te2/p-CdTe/n-CdS/CdS:In/ITO结构CdTe/CdS太阳能电池，是一种新颖的和制备方法简捷的太阳能电池。通过进一步优化制备参量尚有很大的效率提升空间。 【关键词】：CdTe薄膜 CdS薄膜 电化学沉积法 CdTe/CdS 光电性能 太阳能电池
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-36
• 1.1 引言13
• 1.2 江南体育在线直播观看 发电研究历史13-14
• 1.3 太阳电池的工作原理和性能参数14-24
• 1.3.1 p-n 结14-16
• 1.3.2 光生伏特效应16-17
• 1.3.3 太阳电池的基本工作原理17-18
• 1.3.4 太阳电池等效电路18-20
• 1.3.5 太阳电池的主要技术参数20-24
• 1.4 太阳能电池的分类24-34
• 1.4.1 硅太阳电池24-25
• 1.4.2 薄膜太阳电池25-34
• 1.4.2.1 非晶硅太阳电池26-27
• 1.4.2.2 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池27-28
• 1.4.2.3 碲化镉（CdTe）太阳电池28-33
• 1.4.2.4 染料敏化（Dye-sensitized）太阳电池33-34
• 1.6 本论文的选题背景及意义34-36
• 1.6.1 本课题的提出34-35
• 1.6.2 本论文的主要研究工作35-36
• 第二章 CdTe 纳米薄膜的电沉积制备研究及其性能36-67
• 2.1 引言36-40
• 2.1.1 前言36-37
• 2.1.2 电化学沉积的基本理论及影响因素37-40
• 2.1.3 CdTe 薄膜的沉积原理40
• 2.2 CdTe 纳米棒阵列的制备及性质40-51
• 2.2.1 实验部分40-42
• 2.2.1.1 实验仪器与实验试剂40-41
• 2.2.1.2 CdTe 纳米棒阵列的制备41-42
• 2.2.2 电解液中的电化学行为分析42-46
• 2.2.3 实验结果与表征46-51
• 2.3.3.1 X 射线衍射与 EDS 图谱分析46-47
• 2.3.3.2 场发射扫描电镜（FESEM）分析47-49
• 2.3.3.3 光吸收特性分析49-50
• 2.3.3.4 光电化学性质分析50-51
• 2.3 CdTe 菜花状阵列的制备及性质51-59
• 2.3.1 实验部分51-52
• 2.3.2 电解液中的电化学行为分析52-53
• 2.3.3 实验结果与表征53-59
• 2.3.3.1 X 射线衍射与 EDS 图谱分析53-54
• 2.3.3.2 场发射扫描电镜 FESEM 分析54-56
• 2.3.3.3 光吸收特性分析56-57
• 2.3.3.4 光电性质分析57-59
• 2.4 CTAB 辅助电沉积制备 CdTe 薄膜及其性能59-66
• 2.4.1 实验部分59-60
• 2.4.2 CTAB 浓度对 CdTe 薄膜晶体结构及成分的影响60-62
• 2.4.3 CTAB 浓度对 CdTe 薄膜形貌的影响62-66
• 2.5 本章小结66-67
• 第三章 CdTe/CdS 复合薄膜的电沉积制备及其性能67-78
• 3.1 引言67-69
• 3.1.1 前言67
• 3.1.2 CdS 薄膜的沉积原理67-69
• 3.2 电沉积法制备 CdS 薄膜及性能研究69-74
• 3.2.1 实验部分69-71
• 3.2.2 实验条件对 CdTe/CdS 复合薄膜的影响研究71-74
• 3.2.2.1 沉积电压对 CdS 薄膜的影响71-72
• 3.2.2.2 沉积温度对 CdS 薄膜的影响72-73
• 3.2.2.3 柠檬酸浓度对 CdTe/CdS 复合薄膜的影响73-74
• 3.3 p-CdTe/n-CdS 薄膜的后处理研究74-76
• 3.3.1 CdCl_2热处理的实验方法74
• 3.3.2 热处理温度对 CdTe/CdS 复合薄膜的晶体质量影响74-76
• 3.3.3 热处理温度对 CdTe/CdS 复合薄膜的形貌影响76
• 3.4 本章小结76-78
• 第四章 CdTe/CdS 多晶薄膜太阳能电池模块制备及其光电性能的研究78-91
• 4.1 引言78
• 4.2 CdTe/CdS 太阳能电池的模块制备及性能研究78-88
• 4.2.1 相关基础理论79-82
• 4.2.1.1 背电极与背接触层79-81
• 4.2.1.2 透明导电层81-82
• 4.2.2 CdTe/CdS 太阳能电池的制备流程和表征82-86
• 4.2.2.1 实验过程82-83
• 4.2.2.2 CdTe/CdS 太阳能电池模块的光电性能83-86
• 4.2.3 铟掺杂 SnO2透明导电层的制备研究86-88
• 4.2.3.1 铟在 CdTe/CdS 薄膜电池中的作用86
• 4.2.3.2 铟掺杂透明导电层实验方法86-87
• 4.2.3.3 铟掺杂透明导电层对电池性能的影响87-88
• 4.3 本章小结88-91
• 第五章 结论与展望91-95
• 5.1 结论91-92
• 5.2 展望92-95
• 参考文献95-109
• 攻读博士学位期间发表的学术论文109-111
• 致谢111

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