电沉积制备CuInAlS2、CuInAlSe2和Sn-CuAlS2薄膜及其光伏性能研究

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随着社会的发展,传统化石能源面临枯竭,并且伴随着其使用而带来的环境污染严重和温室效应等,都使得人们越来越重视新能源的开发和利用。其中太阳能因其无污染、可再生、分布广、总量大的优点而从中脱颖而出。在太阳能的应用中,最具代表的是太阳能电池。黄铜矿材料因其较高的光吸收系数、稳定的性能以及简易的制备方法等优点而成为太阳能电池吸收层明星材料。Cu(In,Ga)S2材料以其优异的性能在黄铜矿类材料中脱颖而出。但当Ga的含量增加使电池的禁带宽度大于1.3eV时,电池的性能开始下降;并且Ga储量稀少,价格昂贵,制作成本高。CuInAlS2被认为是最适合的替代材料。本论文的主要工作如下:1.在无水乙醇溶液中,采用电沉积法在ITO玻璃上沉积铜铝前驱体,将前驱体经硫化退火处理,制备四元铜铟铝硫黄铜矿薄膜。我们研究了溶液中不同铝浓度、不同退火温度以及不同沉积电势对薄膜晶相结构、表面形貌以及光电性能的影响,发现当铝浓度为20mM、退火温度为500℃、沉积电势为-1.1V所制备出来的铜铟铝硫薄膜为纯相,无二次相杂质生成,且结晶度最佳、表面平整致密且晶粒尺寸最大,适合作太阳能电池的吸收层材料。在无水乙醇溶液中,采用电沉积法在ITO玻璃上沉积铜铝前驱体,将前驱体经硒化退火处理,制备四元铜铟铝硒黄铜矿薄膜。我们研究了不同沉积电势对薄膜晶相结构、表面形貌以及光电性能的研究,发现随着沉积电势的负移,薄膜晶粒尺寸先增大后减小。当沉积电势为-1.1V时所制备的薄膜为纯相,无二次相杂质生成,结晶度最佳、表面形貌平整致密,且具有良好的光电性能。2.在无水乙醇溶液中,采用电沉积法在Mo玻璃上沉积铜铝锡前驱体,再经硫化退火制备锡掺杂铜铝硫薄膜。我们研究了不同掺杂浓度对薄膜晶相结构、表面形貌以及光电性能的影响,发现当掺杂浓度为2%时,可制备出单一晶相且结晶度好的薄膜,薄膜表面平整致密。通过掺杂在黄铜矿铜铝硫结构中成功引入中间带,大大拓宽了吸收光谱范围。3.分别构建CIAS和CIASe薄膜太阳能电池模型,并采用SCAPS模拟软件进行模拟计算,将CIAS和CIASe在不同沉积电势下制备的样品进行初始模拟计算,计算结果均表明纯相的样品所模拟的电池转换效率最高。此外,研究了吸收层厚度、载流子浓度、缺陷浓度以及禁带宽度等对电池性能的影响。
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