太陽電池吸收層氧化亞銅及銅鋅錫硫材料的制備與性能研究.pdf

1、近年來，太陽能作為一種清潔的可再生能源成為世界各國尋求經濟發展的新動力，其中太陽能光伏發電以對裝置和環境的基本無選擇性，且可就近發電等優勢而備受推崇。但與傳統發電技術競爭還是存在著差距，同時有些電池制備工藝中還存在環境污染問題嚴重阻礙了太陽能光伏發電的大規模應用。為此，探索和開發高效、低成本、環保型的太陽能光伏吸收材料與器件有著極其重大的意義。
　　氧化鋅是Ⅱ-Ⅵ族n型氧化物直接帶隙半導體材料，帶寬為3.37eV，激子結合能約為6

2、0meV，具有很高化學穩定性和熱穩定性。由于其良好的光電性能優勢，廣泛應用于紫外激光器、發光二極管、氣敏傳感器、太陽能電池等領域。但是，空位和間隙的存在增加了ZnO晶格內本征缺陷，致使很難制備p型ZnO。而氧化亞銅為一種直接帶隙的p型半導體材料，光學帶隙約為2.0eV，在自然界中儲量豐富，激子傳輸能量和吸收系數較高，已成為制作太陽能電池的理想材料。不足之處在于很難通過摻雜得到n-Cu2O同質結太陽電池。本論文中，在ZnO納米棒陣列上沉積

3、Cu2O制備三維異質結，構建了n-ZnO/p-Cu2O薄膜異質結太陽能電池并測定了其性能。
　　直接禁帶半導體材料銅鋅錫硫(CZTS)四元硫化物是近年來研究較多的具有鋅黃錫礦結構的化合物半導體。其光吸收系數大于104cm-1，禁帶寬度為1.5eV，且CZTS組成元素儲量豐富、無毒無害，是太陽能電池理想的候選材料，使其在薄膜太陽能電池中迅速崛起。本文采用非真空設備，選用了一步電化學沉積法和溶膠-凝膠法制備CZTS薄膜，并使用XRD、

4、Raman、SEM、EDS、紫外-可見等表征手段對其結構、形態、組成成分、光學性質進行了分析。全文主要包括以下五個部分內容:
　　第一部分為緒論，簡要介紹了太陽能電池，著重介紹了CZTS的基本性質及其制備方法。
　　第二部分簡要介紹了ZnO納米棒陣列的制備方法及其沉積溫度對其形貌的影響。研究結果表明:沉積溫度在85℃時，納米棒平均直徑在100-150nm，長度在1.5um，長徑比大于10，分布均勻且排列緊密，都為六方纖鋅礦結

5、構，沿c軸方向擇優生長。重點研究了Cu2O薄膜電沉積過程中沉積電壓、pH值、沉積時間、電解液溫度等生長條件對Cu2O薄膜的形貌、晶體結構等性能的影響。ZnO/Cu2O異質結結構中Cu2O生長在ZnO納米棒陣列項部，其間的空隙均被填滿;最后組裝了Au/Cu2O/ZnO/ITO異質結太陽能電池，所制備的電池具有良好的pn結特性，最高的光電轉換效率達到1.2％，對應的開路電壓、電流密度分別為:250mV、7.551mA/cm2。
　　第

6、三部分采用電化學工作站中的恒電位模式在ITO基底一步法電沉積銅鋅錫硫薄膜，采取兩種濃度溶液進行研究。實驗確定了最佳薄膜沉積條件:0.02MCuSO4，0.01M ZnSO4，0.01M SnCl2，0.01M Na2S2O3，0.2M檸檬酸三鈉，0.1M酒石酸的電解液中，在恒電壓為-1.2V，沉積20min，通過N2氛圍500℃退火處理1h。所制備出的薄膜表面規整，存在一定間隙的缺陷，元素比例雖偏離理想化學計量比，但帶隙值接近1.5eV

7、，為具有鋅黃錫礦結構CZTS薄膜，可應用于薄膜太陽能電池的吸收層。
　　第四部分利用溶膠凝膠法結合旋涂技術與熱處理工藝得到CZTS薄膜。比較不同熱處理溫度下晶化的CZTS薄膜性質，實驗結果表明，N2氛圍450℃進行熱處理得到的薄膜樣品的衍射峰對應鋅黃錫礦結構CZTS的(112)(200)(220)和(312)晶面，薄膜表面排布緊密，雖存在一定空隙，但性能表現較好，禁帶寬度為1.49eV。
　　第五部分是總結與展望，主要是對本