太阳电池材料CuInS2薄膜的低成本制备研究

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太阳能是一种储量巨大的可再生清洁能源,已成为人们研究的重点,也是今后能源发展的主要方向。太阳电池是直接把太阳能转化成电能的装置,是光伏系统的核心,其产量也得到快速发展。但是,与传统电能相比,太阳能存在发电成本高的问题,要解决这一问题,关键是降低太阳电池的生产成本和提高电池的光电转换效率。  CuInS2是直接能隙的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族半导体化合物材料,禁带宽度为1.50 eV,光吸收系数达105cm-1数量级,光电转换效率的理论值超过30%,化学稳定性好、光致衰减小、抗辐射性强,是一种理想的太阳电池材料。电沉积法制备CuInS2薄膜不需要高真空环境,而且具有可大面积制备、能源消耗少、生产效率高、系统稳定性好等特点:喷雾热解法也是一种非真空薄膜制备技术,设备投资少、原料利用率高、薄膜生长速度快。从降低薄膜的制备成本方面考虑,这两种方法都具有广阔的应用前景。  基于以上所述,论文主要在电沉积法和喷雾热解法制备CulnS2薄膜等方面展开研究,并取得了一些研究成果。  介绍了单步电沉积法在钼基底上制备CulnS2薄膜的过程,研究了沉积电位、pH、反应物浓度、退火温度等工艺参数对CulnS2薄膜的影响,并确定了制备高质量CuInS2薄膜的最佳条件;制备的CuInS2薄膜均匀致密,符合化学计量比,禁带宽度为1.41 eV;通过控制实验条件,可获得导电类型不同的半导体薄膜。此外,沉积电位为-1.1 V时,利用两步电沉积法在钼基底上制备得到单一黄铜矿相的CuInS2晶体,但薄膜的致密平整性不如单步电沉积法。分析表明,热处理过程中,前驱物以及是否有硫分子的介入,导致两种方法制备得到不同性能的薄膜。  大气环境下,分别利用压力雾化和静电雾化喷雾热解法制备得到黄铜矿结构的CuInS2晶体,薄膜致密平整,测得其禁带宽度为1.45 eV。研究了基底温度、Cu/In原子比、退火温度对压力雾化喷雾热解法制备薄膜的性能的影响。初步探索了静电喷雾热解法制备CuInS2薄膜的技术,制备得到单一黄铜矿结构的CuInS2薄膜,致密均匀,晶粒在100 nm数量级。
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