氧化锌/氧化亚铜薄膜太阳能电池的构筑、结构优化与光伏性能研究

【摘要】：世界性的能源危机和环境污染促进了太阳能电池产业的快速发展。尽管硅基太阳能电池以其优异的性能已经开始了大批量产业化，但因较高的发电成本，仍需要政府的额外补贴才能推广利用。充分利用纳米材料的新特性和纳米技术，寻找和发展新型的太阳能电池是解决现有太阳能电池性能和成本矛盾的一个可能途径。利用原料丰富、环境友好的无机氧化物纳米材料来构筑廉价的新型太阳能电池，预期可以克服传统太阳能电池的高成本问题。 本文以氧化锌/氧化亚铜(ZnO/Cu_2O)两种典型的n/p半导体为研究对象，采用操作简单、环境友好的低成本电化学沉积方法，通过合理设计实验方案，成功制备了多种ZnO和Cu_2O纳米结构，并组装成不同结构的太阳能电池，进而对其光电转换性能进行了研究。主要研究内容与结果如下： 1.利用电化学沉积技术，获得了致密的ZnO薄膜和高晶体质量的ZnO纳米棒，通过化学腐蚀方法制备了管壁极薄的ZnO纳米管；进而构筑了ZnO/Cu_2O薄膜型、纳米棒/薄膜型及纳米管/薄膜型异质结电池，研究了太阳能电池光电转换性能与其结构的关系。 2.通过调节电化学沉积参数，获得了形貌可控的ZnO纳米棒，阐明了纳米棒形貌、透射/反射光学性质对ZnO纳米棒/Cu_2O薄膜型太阳能电池性能的影响。 3.通过电化学沉积技术，获得了n型Cu_2O薄膜，并且实现了n型Cu_2O薄膜取向的可控生长，进而构筑了晶体生长取向一致的Cu_2O同质结太阳能电池，揭示了Cu_2O生长取向、界面态密度和太阳能电池开路电压三者之间的内在联系。 4.制备了具有金字塔形状织构表面的p型Cu_2O薄膜，通过控制Cu_2O表面形貌来增加光程，并提高了太阳能电池的光电转换性能。 【关键词】：太阳能电池 纳米结构 氧化物半导体 电化学沉积
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 太阳能电池概述11-15
• 1.1.1 开发利用太阳能的重要意义11-12
• 1.1.2 太阳能电池的发展历程及世界光伏产业的发展概况12-14
• 1.1.3 太阳能电池国内外研究现状及存在的问题14-15
• 1.2 纳米技术与纳米结构光伏材料概述15-17
• 1.2.1 纳米技术15-16
• 1.2.2 纳米结构光伏材料16-17
• 1.3 ZnO 和 Cu_2O 的基本性质及在太阳能电池领域的应用17-22
• 1.3.1 ZnO 和 Cu_2O 的基本性质17-18
• 1.3.2 ZnO 和 Cu_2O 的制备方法18-21
• 1.3.3 ZnO 和 Cu_2O 在太阳能电池领域的研究进展21-22
• 1.4 本论文的主要研究内容22-25
• 第二章 实验部分25-33
• 2.1 实验原料与仪器设备25-26
• 2.2 材料制备26-27
• 2.2.1 电化学沉积系统26-27
• 2.2.2 ZnO 和 Cu_2O 纳米材料的制备27
• 2.3 表征方法27-33
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）27-28
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）28-29
• 2.3.3 吸收光谱（ABS）29
• 2.3.4 光致发光测试系统（PL）29-30
• 2.3.5 太阳能电池测试系统30-33
• 第三章 三种 ZnO/Cu_2O 异质结太阳能电池的构筑与性能研究33-47
• 3.1 引言33-34
• 3.2 实验34-36
• 3.2.1 ZnO 薄膜、纳米棒和纳米管的制备34
• 3.2.2 ZnO/Cu_2O 异质结的制备及太阳能电池的组装34-35
• 3.2.3 材料表征与电池性能测试35-36
• 3.3 结果与讨论36-45
• 3.3.1 ZnO、Cu_2O 结构和形貌的表征分析36-38
• 3.3.2 ZnO/Cu_2O 异质结微观结构和成分分析38-39
• 3.3.3 室温光致发光谱分析39-41
• 3.3.4 吸收光谱分析41-42
• 3.3.5 异质结暗态下的 I-V 特性分析42-43
• 3.3.6 PN 结对 ZnO/Cu_2O 太阳能电池的光电转换性能分析43-45
• 3.4 小结45-47
• 第四章 纳米棒长度对 ZnO 纳米棒/Cu_2O 薄膜异质结太阳能电池光伏性能的影响47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 实验47-49
• 4.2.1 ZnO 纳米棒的制备47-48
• 4.2.2 ZnO/Cu_2O 异质结生长及电池组装48-49
• 4.2.3 材料表征与电池性能测试49
• 4.3 结果与讨论49-55
• 4.3.1 ZnO 纳米棒结构的表征分析49-50
• 4.3.2 沉积时间对 ZnO 纳米棒形貌的影响50-52
• 4.3.3 纳米棒长度对 ZnO 光学性质的影响52-54
• 4.3.4 纳米棒长度对 ZnO/Cu_2O 异质结太阳能电池光电转换性能的影响54-55
• 4.4 小结55-57
• 第五章 Cu_2O 同质结太阳能电池构筑与性能研究57-69
• 5.1 引言57-59
• 5.2 实验59-60
• 5.2.1 Cu_2O 薄膜的生长59
• 5.2.2 Cu_2O 同质结太阳能电池组装59-60
• 5.2.3 材料表征与电池性能测试60
• 5.3 结果与讨论60-68
• 5.3.1 p 型 Cu_2O 结构和形貌的表征分析60-61
• 5.3.2 n 型 Cu_2O 结构和形貌的表征分析61-64
• 5.3.3 Cu_2O 同质结太阳能电池性能分析测试64-67
• 5.3.4 薄膜生长取向对太阳能电池性能的影响67
• 5.3.5 表面微观结构对太阳能电池性能的影响67-68
• 5.5 小结68-69
• 第六章 全文总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-81
• 致谢81-83
• 附录83-84

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