微纳米化合物Cu-Zn-Sn-S光伏特性与新型薄膜太阳能电池的研究

【摘要】：多结太阳能电池具有一系列优化的能带组合,可对入射太阳能光谱实现宽范围、高效率的吸收,其理论最高转换效率远高于单结太阳能电池。目前,GaInP/GaAs/Ge三结化合物薄膜太阳能电池的实验室转换效率已达41.6%,但所使用的材料价格高昂且资源非常有限,限制了大规模应用。近年,寻找新型低成本可替代材料已成为了多结太阳能电池研究的一项重要课题。 当前,新材料的研究范围主要集中在掺氮、掺镓氮化铟以及量子点等,虽已取得了一些研究成果,但原材料价格仍然十分昂贵。本论文另辟蹊径,在大量理论分析、技术调查和实验摸索的基础上,创造性地提出了资源丰富、廉价且毒性极低的Cu-Zn-Sn-S系化合物材料,成功研制了多种光伏性能优异的新型化合物,具有重大潜在应用价值,为多结化合物薄膜太阳能电池的大规模应用提供了新的可能。此外,化合物光伏特性的研究及其在实际太阳能电池上的应用通常都以化合物薄膜的形式进行,但当前化合物薄膜的制备以真空法为主,存在效率低下、工艺复杂、造价高昂且不易实现大面积产品生产等缺点。本论文首次使用高效非真空机械化学法合成新型微纳米化合物,采用非真空印刷法制备化合物薄膜,对其光伏特性进行系统分析。 在Cu-Zn-Sn-S系化合物中,Cu_2ZnSnS_4 (CZTS)的光伏特性已获得了众多研究人员的肯定,其能带值约为1.5 eV,具有潜在非聚焦单结和三结太阳能电池应用价值。但现今制备CZTS化合物薄膜以真空法为主。论文首次采用非真空机械化学-印刷法合成并研究了微纳米化合物CZTS的微结构晶相、光学特性及薄膜形态等。总结了所采用制备工艺的技术特点及规律,为大规模商业化太阳能电池生产提供了参考借鉴。此外,为表征化合物光电转换特性及降低太阳能电池整体制备成本,首次提出了一种所有功能薄膜层均可采用非真空法制备的新型薄膜太阳能电池,并获得了实验的成功。 为解决非聚焦三、四结以及聚焦二结化合物薄膜太阳能电池底部子电池材料的稀缺问题,论文合成并成功研制了能带值为0.83 eV且光伏性能优异的微纳米化合物Cu_2SnS_3。此外,在反复实验的基础上,提出了一种新颖的通过人为创造掩埋p-n结的太阳能电池短路电流密度增强方法。实验证实具有掩埋p-n结的太阳能电池短路电流密度较参比电池增加了约1倍。增加的短路电流密度可更好地满足多结太阳能电池对电流匹配的要求,也进一步证明了Cu_2SnS_3化合物的重要潜在应用价值。 为满足聚焦三结和四结太阳能电池对窄带化合物光伏材料的需求,论文又合成并成功研制了能带值为0.55 eV且光伏性能优异的富铜贫锌微纳米化合物Cu_4SnS_4。此外,对比研究了微纳米化合物Cu_2ZnSnS_4、Cu_2SnS_3和Cu_4SnS_4的光伏特性。发现随着富铜贫锌程度(Cu/Sn、Zn/Sn)的增加:这些化合物的微结构发生了重大变化,退火温度灵敏度变得越来越高;化合物的光学吸收边带逐渐变得模糊,能带值逐渐变小;p-n结界面接触特性得到改善,太阳能电池的转换效率从0.60%上升到1.92%以及2.59%。这些发现为研制更多Cu-Zn-Sn-S系新材料提供了参考和指导。 【关键词】：多结化合物薄膜太阳能电池 Cu-Zn-Sn-S系化合物 机械化学-印刷法 光伏特性
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-28
• 1.1 太阳能光伏发电10-13
• 1.1.1 可再生能源10-11
• 1.1.2 太阳能11-12
• 1.1.3 太阳能光伏发电12-13
• 1.2 太阳能电池的工作原理13-14
• 1.3 太阳能电池的分类14-20
• 1.3.1 硅基太阳能电池16-17
• 1.3.2 有机薄膜太阳能电池17-18
• 1.3.3 碲化镉化合物薄膜电池18
• 1.3.4 铜铟镓硒化合物薄膜太阳能电池18-19
• 1.3.5 砷化镓化合物薄膜太阳能电池19
• 1.3.6 多结化合物薄膜太阳能电池19-20
• 1.4 选题依据20-21
• 1.5 本论文研究的意义、创新点21-23
• 1.5.1 本论文研究的意义21-22
• 1.5.2 本论文的创新点22-23
• 1.6 本论文的结构23-24
• 1.7 参考文献24-28
• 第二章 化合物薄膜常见制备方法、表征技术及多结化合物薄膜太阳能电池能带理论28-52
• 2.1 化合物薄膜的常见制备方法28-40
• 2.1.1 真空共蒸法28-29
• 2.1.2 溅射后硫化法29-31
• 2.1.3 喷涂热分解法31-32
• 2.1.4 印刷法32-38
• 2.1.5 电化学沉积法38-39
• 2.1.6 常见制备工艺的优缺点分析39-40
• 2.2 化合物薄膜的常见表征手段40-46
• 2.2.1 XRD 微结构晶相分析40-41
• 2.2.2 UV 光学特性分析41-43
• 2.2.3 SEM 形态分析43
• 2.2.4 Rs 和Rsh 电学特性分析43-44
• 2.2.5 元素成分分析44-45
• 2.2.6 J-V 光电转换特性分析45-46
• 2.3 多结化合物薄膜太阳能电池能带理论46-48
• 2.4 本章小结48-49
• 2.5 参考文献49-52
• 第三章 微纳米化合物CU_2ZNSNS_4光伏特性与新型薄膜太阳能电池的研究52-78
• 3.1 背景概述52-53
• 3.2 材料和方法53-58
• 3.2.1 材料试剂53-54
• 3.2.2 微纳米化合物CZTS 的合成及表征54-55
• 3.2.3 一种新型薄膜太阳能电池55-57
• 3.2.4 自行设计的一种高效瞬间快速升温退火方案57-58
• 3.3 结果与讨论58-73
• 3.3.1 高效机械化学法合成微纳米化合物CZTS 的研究58-61
• 3.3.2 印刷法制备微纳米化合物CZTS 薄膜的形态分析61
• 3.3.3 退火参数对微纳米化合物CZTS 微结构晶相的影响61-63
• 3.3.4 退火参数对微纳米化合物CZTS 光学特性的影响63-64
• 3.3.5 优化条件退火时微纳米化合物CZTS 薄膜形态的分析64-65
• 3.3.6 退火参数对微纳米化合物CZTS 光电转换特性的影响65-66
• 3.3.7 In_S_3 缓冲层厚度对微纳米化合物CZTS 太阳能电池光电转换特性的影响66-68
• 3.3.8 刮刀法制备CZTS 吸收层薄膜的研究：polymer 有机分散试剂对微纳米化合物CZTS 光伏特性的影响68-73
• 3.4 本章小结73-74
• 3.5 参考文献74-78
• 第四章 微纳米化合物CU_25NS_3光伏特性的研究及一种新颖太阳能电池短路电流密度增强方法78-90
• 4.1 背景概述78-79
• 4.2 材料和方法79-81
• 4.2.1 材料试剂79
• 4.2.2 微纳米化合物CU_2SnS_3 的合成及表征79-81
• 4.3 结果与讨论81-87
• 4.3.1 退火温度对微纳米化合物CU_2SnS_3 微结构晶相的影响81-82
• 4.3.2 退火温度对微纳米化合物CU_2SnS_3 光学特性的影响82-83
• 4.3.3 退火温度对微纳米化合物CU_2SnS_3 光电转换特性的影响83-85
• 4.3.4 一种新颖的太阳能电池短路电流密度增强方法85-87
• 4.4 本章小结87-88
• 4.5 参考文献88-90
• 第五章 微纳米化合物CU_45NS_4光伏特性的研究及富铜贫锌度对光伏特性的影响90-106
• 5.1 背景概述90-91
• 5.2 材料和方法91-92
• 5.2.1 材料试剂91
• 5.2.2 微纳米化合物CU_2ZnSnS_4、CU_2SnS_3 和Cu_4SnS_4的合成91-92
• 5.3 结果与讨论92-104
• 5.3.1 微纳米化合物CU_2ZnSnS_4、CU_2SnS_3 和Cu_4SnS_4微结构晶相的对92-93
• 5.3.2 富铜贫锌微纳米化合物Cu_4SnS_4(Cu/Sn=4 和Zn/Sn=0)光伏特性的研究93-99
• 5.3.3 Cu/Sn、Zn/Sn 比率对微纳米化合物退火温度灵敏度的影响99-102
• 5.3.4 Cu/Sn、Zn/Sn 比率对微纳米化合物光学特性的影响102
• 5.3.5 Cu/Sn、Zn/Sn 比率对微纳米化合物太阳能电池p-n 结特性的影响102-103
• 5.3.6 Cu/Sn、Zn/Sn 比率对微纳米化合物太阳能电池光电转换特性的影响103-104
• 5.4 本章小结104
• 5.5 参考文献104-106
• 第六章 总结与展望106-110
• 6.1 本论文工作的总结106-107
• 6.2 今后工作的展望107-110
• 致谢110-112
• 攻读博士学位期间已发表或待发表的论文112-114

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