太阳能电池铜锌锡硫吸收层非真空法制备技术研究

【摘要】：铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,CZTS)为锌黄锡矿(kesterite)结构的四元化合物,属于I2-II-IV-VI4型半导体材料。CZTS是一种P型直接带隙半导体材料,具有高的吸收效率(达104cm-1),其禁带宽度(1.5eV)与太阳光具有良好的匹配性,非常适用于做太阳能电池的吸收层。CZTS的组成元素储量丰富且无环境危害。因此,CZTS是太阳能电池吸收层最佳候选材料的优先选择。关于CZTS合成方法,真空法的制备研究较多,但昂贵的设备和复杂的工艺都影响着制作成本,而且各元素的蒸发率、溅射率等都有差异,使得工艺重复性差。因此,对于非真空法制备CZTS的方法越来越得到关注。若能通过非真空法简单高效,成本低廉地大规模生产CZTS薄膜,这无疑对将来CZTS太阳能产业化、规模化应用具有重要价值。这也是本文研究的方向——如何能够简洁高效地使用非真空法制备CZTS薄膜。本文对高能震动球磨、丝网印刷、电泳和静电纺丝方法制备CZTS工艺技术进行了系统的实验研究。(1)高能震动球磨是利用机械合金化(Mechanical Alloying,MA)的机理将多组分单质直接合金化合成具有一定相结构的新物质。本文采用高能震动球磨法,直接将Cu、Zn、Sn、S粉体转变成具有具有锌黄锡矿结构的CZTS超细粉体。为后续的丝网印刷工艺、电泳工艺实施提供了物质基础。(2)丝网印刷制备CZTS薄膜简单可靠,受影响参数较少。由通透部分将所要制备的材料的浆料印刷到基底上,经过反复印刷得到一定的厚度的膜。通过退火除去浆料中不需要的有机成分,同时使得薄膜材料更好地结晶生长。不同的退后温度,得到的薄膜特性也不同。通过浆料掺锑(Sb)可改变薄膜的表征特性。(3)电泳制备薄膜表面晶粒密集性较高,成膜速度很快,但对影响参数较为敏感,经过反复探究发现电压在18V时能稳定制备出附着力较好,表面晶粒密集的薄膜。进行表征检测发现其表面呈现蜂窝状,片状晶粒排布紧密,禁带宽度为1.5eV,相结构能够看到有多个对应于CZTS锌黄锡矿结构的峰。(4)静电纺丝通过纺丝出无数细小纤维无序排布在基底表面形成一层薄膜。纺丝直径为一百纳米左右,生成杂相少,元素比例较为准确。但纺丝影响因素较多,对于环境要求明显高于丝网印刷和电泳,操作的影响因素也较多。总之,本文系统研究了高能球磨、丝网印刷、电泳等非真空法制备CZTS薄膜技术,并成功获得CZTS薄膜材料,为非真空法制备CZTS提供了可行技术路线。 【关键词】：铜锌锡硫 高能震动球磨 丝网印刷 电泳 静电纺丝
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 太阳能电池的概述11-13
• 1.1.1 太阳能电池的研究背景及意义11-12
• 1.1.2 太阳能电池的基本原理12
• 1.1.3 太阳能电池的发展与分类12-13
• 1.2 CZTS薄膜太阳能电池13-19
• 1.2.1 CZTS简述13-14
• 1.2.2 CZTS结构与特性14-15
• 1.2.3 CZTS薄膜电池结构介绍15-17
• 1.2.4 CZTS薄膜的研究与制备17-19
• 1.3 本文的研究意义与研究方向19-21
• 第二章 实验设计方案与表征分析方法21-27
• 2.1 实验方法的设计21-22
• 2.1.1 高能震动球磨制备CZTS粉体21
• 2.1.2 丝网印刷制备CZTS薄膜21
• 2.1.3 电泳制备CZTS薄膜21
• 2.1.4 静电纺丝制备CZTS21-22
• 2.2 实验准备工作22-23
• 2.2.1 实验药剂22-23
• 2.2.2 实验设备23
• 2.3 分析表征23-27
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）23-24
• 2.3.2 拉曼散射（Raman）24-25
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）25
• 2.3.4 能量色散X射线谱（EDS）25-26
• 2.3.5 紫外可见-近红外（UV-Vis-NI）光谱26-27
• 第三章 球磨制备CZTS纳米粉体与表征分析27-36
• 3.1 实验条件27-29
• 3.1.1 球磨罐与磨球的选择27-28
• 3.1.2 表面活性剂与过程控制剂的选择28
• 3.1.3 球磨机的规格28-29
• 3.2 实验步骤29-31
• 3.3 分析表征31-34
• 3.4 本章小结34-36
• 第四章 丝网印刷制备CZTS薄膜与表征分析36-51
• 4.1 实验条件36-38
• 4.1.1 网板参数36-37
• 4.1.2 丝网印刷机规格37-38
• 4.2 实验步骤38-40
• 4.2.1 浆料制备39
• 4.2.2 清洗准备工作39
• 4.2.3 丝网印刷制备薄膜39-40
• 4.2.4 设计退火40
• 4.3 分析表征40-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 电泳制备CZTS薄膜与表征分析51-63
• 5.1 实验条件54-56
• 5.1.1 自制电泳电极和支架54-56
• 5.1.2 电源56
• 5.2 实验步骤56-60
• 5.2.1 影响参数56-58
• 5.2.2 前驱体和电泳液配置58
• 5.2.3 清洗准备工作58
• 5.2.4 电泳过程58-59
• 5.2.5 设计退火59-60
• 5.3 分析表征60-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第六章 静电纺丝制备CZTS薄膜与表征分析63-72
• 6.1 实验条件64-66
• 6.1.1 静电纺丝机64-66
• 6.1.2 高压电源66
• 6.2 实验步骤66-69
• 6.2.1 影响参数66-67
• 6.2.2 前驱液体配置67-68
• 6.2.3 清洗准备工作68
• 6.2.4 静电纺丝68
• 6.2.5 设计退火68-69
• 6.3 分析表征69-71
• 6.4 本章小结71-72
• 第七章 结论72-74
• 7.1 工作总结72-73
• 7.2 今后研究工作的展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士期间取得的研究生成果80-81

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