CIS/CIGS薄膜太阳能电池吸收层的纳米颗粒印刷法研究

【摘要】：CIS/CIGS薄膜太阳能电池是近年来光伏研究领域的热点。CIS/CIGS薄膜太阳能电池具有长期性能稳定性好、弱光特性好、抗辐射能力强、转换效率高、吸收层材料禁带宽度可调等优点,同时它可在柔性基材上使用,从而被国际上称为下一时代最有发展前景的廉价太阳能电池。CIS/CIGS吸收层是整个CIS/CIGS薄膜太阳能电池的核心,是太阳能转化为电能的工厂。在整个CIS/CIGS电池的制备中,CIS/CIGS吸收层薄膜的制备是整个电池器件制备的基础,高效、长寿命的CIS/CIGS电池依赖于合格的CIS/CIGS吸收层。为获得高质量的吸收层薄膜,通常采用真空的方法制备。但真空技术设备投资大、薄膜沉积速率低、原材料昂贵且利用率低(约50%),增加了太阳能电池的制备成本,不利于大面积商业化生产。非真空制备法因具有设备简单、投资小、成本低、原材料利用率高,且可以大面积、连续、低温沉积薄膜等特点,近年来受到极大关注。其中,印刷法因具有材料利用率高、生产效率高、简单、低温和可实现高速卷对卷生产等特点而备受青睐,是最有希望实现太阳能电池低成本制备的工艺之一。在印刷制备技术中,如何采用简单、高效的合成方法获得近化学计量比且性能优良的纳米颗粒,如何设计高效的退火方案获得高质量吸收层薄膜等仍然是不小的挑战。本文从CIS/CIGS薄膜太阳能电池的吸收层材料着手,采用简单、快速的一锅合成方法成功合成了黄铜矿、近化学计量比CIS/CIGS纳米颗粒。首先在不同反应温度、反应时间下合成了CIS纳米颗粒,通过XRD、SEM、EDS、TEM、Raman、分光光度计进行表征,详细研究了反应温度、反应时间对合成CIS纳米颗粒晶相、形貌、元素组分以及吸收光谱的影响。对一锅法合成CIS纳米颗粒的形成机制也进行了详细的研究。用Ga原子替代CIS纳米颗粒中部分或全部In原子,可以使合成的纳米颗粒带隙在1.0~1.7 eV之间连续可调。为此在不同反应温度、反应时间下合成了CIGS纳米颗粒,研究了反应温度、反应时间对合成CIGS纳米颗粒性质的影响。在优化的合成条件下,合成了具有不同Ga含量的CIGS纳米颗粒,详细研究了Ga掺杂量对合成CIGS纳米颗粒性质的影响。对一锅法合成CIGS纳米颗粒的形成机制也进行了研究。结果表明,所制备CIS/CIGS纳米颗粒具有单相黄铜矿晶体结构,元素组分接近化学计量比,且颗粒具有很好的分散性。因此,采用简单、快速的一锅合成方法所制备的CIS/CIGS纳米颗粒是好的光吸收层材料。以合成的CIS/CIGS纳米颗粒为原料,加入适量的无水乙醇、乙基纤维素和?-帖品醇制备成具有合适粘度的浆料,采用丝网印刷的方法制备了CIS/CIGS吸收层薄膜。实验改装了一个快速硒化退火炉,将CIS/CIGS吸收层薄膜在硒气氛下快速退火,详细研究了退火温度、退火时间对吸收层薄膜性能的影响。结果表明,CIS吸收层薄膜优化的退火条件是(600 oC,15 min),CIGS吸收层薄膜优化的退火条件是(600 oC,20 min)。为了评价所制备吸收层薄膜的光伏性能,制备了Glass/Mo/CIS(CIGS)/CdS/i-ZnO/AZO/Al结构的CIS/CIGS薄膜太阳能电池,并对其光伏特性进行了测试与分析。 【关键词】：铜铟硒/铜铟镓硒 纳米颗粒 丝网印刷 快速硒化退火 薄膜太阳能电池
【学位授予单位】：上海理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TB383.1
【目录】：

• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-36
• §1.1 太阳能电池概述13-18
• §1.1.1 太阳能电池的发展背景及发展现状13-14
• §1.1.2 太阳能电池的工作原理14-15
• §1.1.3 太阳能电池的分类及其特点15-18
• § 1.2 CIS/CIGS薄膜太阳能电池18-31
• §1.2.1 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的发展史18-19
• §1.2.2 CIS/CIGS的结构、电学和光学性质19-20
• §1.2.3 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的典型结构及特性20-23
• §1.2.4 高质量CIS/CIGS薄膜太阳能电池的特点23-24
• §1.2.5 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的制备方法24-29
• §1.2.6 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的研究现状29-30
• §1.2.7 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的发展趋势30-31
• § 1.3 选题依据31-32
• § 1.4 本论文研究的意义、创新点32-34
• §1.4.1 本论文研究的意义32-33
• §1.4.2 本论文的创新点33-34
• § 1.5 本论文的结构34-36
• 第二章 CIS/CIGS薄膜太阳能电池常见表征技术36-48
• § 2.1 XRD微结构晶相分析36-37
• § 2.2 SEM形貌分析37-39
• § 2.3 TEM微结构分析39
• § 2.4 EDS元素组分分析39-40
• § 2.5 XPS元素价态分析40-41
• § 2.6 Raman微结构分析41-42
• § 2.7 UV光学特性分析42-43
• § 2.8 四探针电学性能分析43-44
• § 2.9 台阶仪薄膜厚度测试44-45
• § 2.10 J-V光电转换特性分析45-47
• § 2.11本章小结47-48
• 第三章 CIS/CIGS纳米颗粒的合成及形成机制研究48-80
• § 3.1 背景概述48-49
• § 3.2 CIS/CIGS纳米颗粒的合成与表征49-50
• § 3.2.1 CIS/CIGS纳米颗粒的合成49-50
• § 3.2.2 CIS/CIGS纳米颗粒的表征50
• § 3.3 结果与讨论50-78
• § 3.3.1 反应温度对合成CIS纳米颗粒性质的影响50-55
• § 3.3.2 反应时间对合成CIS纳米颗粒性质的影响55-59
• § 3.3.3 CIS纳米颗粒的形成机制研究59-63
• § 3.3.4 反应温度对合成CIGS纳米颗粒性质的影响63-68
• § 3.3.5 反应时间对合成CIGS纳米颗粒性质的影响68-70
• § 3.3.6 Ga掺杂量对合成CIGS纳米颗粒性质的影响70-77
• § 3.3.7 CIGS纳米颗粒的形成机制研究77-78
• § 3.4 本章小结78-80
• 第四章 CIS/CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备及退火性能研究80-94
• § 4.1 CIS/CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备80-81
• § 4.1.1 CIS/CIGS印刷浆的制备80-81
• § 4.1.2 CIS/CIGS吸收层薄膜的制备81
• § 4.2 CIS/CIGS薄膜太阳能电池吸收层的退火性能研究81-92
• § 4.2.1 快速硒化退火炉81-83
• § 4.2.2 退火温度对CIS吸收层薄膜性能的影响83-86
• § 4.2.3 退火时间对CIS吸收层薄膜性能的影响86-88
• § 4.2.4 退火温度对CIGS吸收层薄膜性能的影响88-90
• § 4.2.5 退火时间对CIGS吸收层薄膜性能的影响90-92
• § 4.3 本章小结92-94
• 第五章 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的制备94-104
• § 5.1 Mo背电极的制备94-97
• § 5.2 CdS缓冲层的制备97-99
• § 5.3 ZnO窗.层和Al电极的制备99-101
• § 5.4 CIS/CIGS薄膜太阳能电池的性能测试及分析101-102
• § 5.5 本章小结102-104
• 第六章 总结与展望104-106
• § 6.1 本论文工作的总结104-105
• § 6.2 今后工作的展望105-106
• 参考文献106-115
• 在读期间公开发表的论文、专利和承担的科研项目115-117
• 致谢117

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