Cu_2O/ZnO三维结构太阳能电池的组装与性能

【摘要】：能源与环境问题日益严峻，太阳能电池面临提高转化效率和降低成本两大难题。寻找廉价、环境稳定性高、具有良好光伏效应的新型太阳能电池材料成为开发低成本太阳能电池的有效途径。氧化亚铜(Cu_2O)作为一种古老的半导体材料，重新受到人们的重视，它是一种p型直接带隙半导体材料，禁带宽度为2.0-2.2eV，无毒、制备成本低，吸收系数102-106cm-1，理论效率20%。在电极材料，催化领域，电子器件和气敏元件等方面具有重要的应用。本论文通过电化学沉积方法制备Cu_2O薄膜及组装Cu_2O/ZnO三维异质结，分析各沉积参数对薄膜及异质结结构及性能的影响，找出制约Cu_2O/ZnO三维异质结电池性能的主要原因。 本论文采用电化学沉积法在溶液pH为9.0、11.5、12.0条件下分别制备出了(100)、(110)、(111)择优取向的Cu_2O致密膜，研究了pH、温度、电压对薄膜结构及性能的影响。采用XRD、SEM和Uv-Vis表征了薄膜的相组成、表面形貌，以及透过率和禁带宽度，通过测试电容-电压，表征了Cu_2O薄膜的平带电位和载流子浓度等半导体性能。由于Cu_2O各晶面的原子排列不同且CH3(OH)COO-根在不同pH下对各晶面的稳定作用不同，Cu_2O薄膜的晶粒取向随溶液pH的增加向着Cu原子多的晶面生长；Cu_2O薄膜的生长属于热活化过程，温度升高有利于晶粒长大；当沉积温度为60℃，pH为11.50时，薄膜具有较高的吸光度，载流子浓度高达7.7×1018cm-3。 在pH=11.50的沉积溶液中组装了ZnO纳米棒高度为4μm的Cu_2O/ZnO三维异质结，研究了沉积温度及电压对异质结结构及性能的影响。低温高电位下沉积的种子层可以避免ZnO纳米棒的腐蚀，保证高温低沉积电压下Cu_2O从下而上致密化填充ZnO纳米棒阵列。高的沉积电位堵塞ZnO纳米棒阵列顶部开口无法致密化填充。致密化填充的Cu_2O/ZnO三维异质结具有较好的电接触和较大的正向电流密度，但由于增大了异质结的界面面积和晶界，产生大量的界面态，导致电池效率仅为0.08%。未来可以通过热处理提高Cu_2O种子层的结晶质量，改变Cu_2O沉积溶液参数来控制其生长行为，增加晶粒尺寸，减少晶界来提高异质结效率。 【关键词】：Cu_2O 电化学沉积 ZnO 三维异质结
【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】：TM914.4
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 Cu_2O 结构及制备工艺12-15
• 1.2.1 Cu_2O 的结构与性质12-13
• 1.2.2 Cu_2O 的制备方法13-15
• 1.3 Cu_2O 基电池15-21
• 1.3.1 Cu_2O 肖特基结电池15-16
• 1.3.2 Cu_2O/ZnO 基异质结电池16-21
• 1.4 课题的提出及研究内容21-23
• 第二章 实验方案设计与研究方法23-29
• 2.1 试验所用原料与设备23-25
• 2.1.1 试验原料23
• 2.1.2 试验设备23-25
• 2.2 方案设计及实验过程25-27
• 2.2.1 方案设计25
• 2.2.2 实验过程25-27
• 2.3 测试与表征27-29
• 第三章 Cu_2O 薄膜的制备及性能表征29-51
• 3.1 Cu_2O 沉积溶液的配制29-30
• 3.1.1 络合剂的选择29
• 3.1.2 沉积溶液的 pH 范围29-30
• 3.2 半导体/电解质溶液的界面能级结构30-31
• 3.3 Cu_2O 薄膜的沉积过程31
• 3.4 pH 对 Cu_2O 薄膜的影响31-45
• 3.4.1 pH 对 Cu_2O 薄膜取向的影响31-34
• 3.4.2 pH 对薄膜沉积速率的影响34-37
• 3.4.3 不同取向的 Cu_2O 薄膜的光学性能37-39
• 3.4.4 不同取向 Cu_2O 薄膜的电学性质39-45
• 3.5 沉积温度和电压对 Cu_2O 薄膜的影响45-49
• 3.5.1 沉积温度对 Cu_2O 薄膜的影响45-47
• 3.5.2 沉积电位对 Cu_2O 薄膜的影响47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第四章 Cu_2O/ZnO 三维结构太阳能电池的组装与性能51-67
• 4.1 Cu_2O/ZnO 三维异质结的组装51-54
• 4.1.1 Cu_2O/ZnO 三维异质结的组装原理分析51-52
• 4.1.2 Cu_2O/ZnO 三维异质结的组装工艺52-54
• 4.2 温度及电压对 Cu_2O/ZnO 三维异质结结构及性能的影响54-66
• 4.2.1.温度对 Cu_2O/ZnO 三维异质结结构及性能的影响54-56
• 4.2.2. 电压对 Cu_2O/ZnO 三维异质结结构及性能的影响56-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第五章 结论与展望67-69
• 参考文献69-76
• 致谢76-77
• 附录77

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