首页 > 学术论文

铜铟硫(CuInS_2)薄膜太阳能电池的制备与光电性能研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 22:08:39
热度:

铜铟硫(CuInS_2)薄膜太阳能电池的制备与光电性能研究【摘要】:薄膜太阳电池因其具有质轻、生产成本低、可被制成柔性可卷曲形状、便于大面积连续生产等突出优势,被公认是未来太阳电池

【摘要】:薄膜太阳电池因其具有质轻、生产成本低、可被制成柔性可卷曲形状、便于大面积连续生产等突出优势,被公认是未来太阳电池发展的主要方向,并已成为国际上研究最多的太阳电池技术之一。而CuInS2(简称CIS)这种直接带隙半导体材料具有较大的吸光系数、合适的禁带宽度(1.5 eV)、禁带宽度对温度的变化不敏感、稳定性高、低毒等优势,非常适合作为薄膜太阳能电池的光吸收层材料。因此,基于CuInS2这种光吸收层材料,我们开展了以下工作: 第一部分:以乙二醇为溶剂,四水合氯化铟和硫代乙酰胺为反应物,采用简易的溶剂热法在超薄铜片衬底上直接生长一层大规模、均匀分布的CuInS2薄膜。InCl3·4H2O浓度为0.025 M、溶剂热温度180℃下反应16 h得到的CuInS2薄膜样品由整齐有序、高均匀的薯片状纳米片阵列组成,这些纳米片尺寸比较均一,形状规整,厚度约为120 nm,并且相互齿合、粘连形成一个网状薄膜。研究表明:溶剂热温度对CuInS2薄膜的形貌没有太大影响,但是高温有利于CuInS2薄膜结晶度的提高;反应物浓度对调控薄膜的形貌影响较大,如果InCl3·4H2O的浓度较低(0.042M),所得产物为单层的网状薄膜,薄膜由均一规整的纳米片阵列组成。否则,所得CuInS2产物的形貌呈现双层膜结构,下层为类似的单层网状薄膜,上层由球状超结构组成。 根据晶体成核与生长等理论探讨了上述不同反应物浓度下得到的CuInS2单层以及双层膜的生长机理。研究表明其生长过程包括:铜片衬底上异质成核;成核点上进一步垂直生长;溶液中均相成核;溶液中Ostwald熟化生长过程;溶液中自团聚过程;沉积到铜片衬底从而形成双层膜这几个阶段。而从化学反应角度看,CuInS.晶核形成过程如下:高温下铜片表面的铜元素被氧化成Cu2+,并不断释放到溶液中,这些Cu2+被乙二醇还原成Cu+(4Cu2+HO-CH2-CH2-OH→4Cu++4H++ CHO-CHO)。同时,硫代乙酰胺结合水中的H+释放H2S(CH3CSNH2+ H20→CH3CONH2+H2S),H2S在高温下释放出S2-(H2S→2H++S2-)。这样铜片上Cu+的产生、来自于硫代乙酰胺的S2-释放、来自于InCl3·4H20中In3+的释放,CuInS2晶核形成(Cu++In3++S2-→CuInS2)。 铜片衬底上CuInS2薄膜的漫反射光谱表明:薄膜在400-800 nm这一较宽范围内都有很强的吸收,符合CuInS2材料的典型吸收特性。经推算,CuInS2薄膜的禁带宽度为1.48 eV,接近太阳能电池材料所需的最佳禁带宽度值(1.45 eV)。选取CuInS2单层和双层薄膜样品组装结构为Cu片/CuInS2/CdS/i-ZnO/ITO/Ni-Al的柔性薄膜太阳能电池。结果表明:单层膜CuInS2样品制得的电池器件开路电压(Voc)为268 mV,短路电流(Jsc)为4.00 mA/cm2,填充因子(FF)为0.56,最终的光电转换效率可达0.75%。而双层膜CuInS2样品得到的器件开路电压(Voc)为223 mV,短路电流(Jsc)为3.05mA/cm2,填充因子(FF)为0.39,最终的光电转换效率达到0.33%。 第二部分:在ITO导电玻璃上通过溶液提拉、滚涂的方法分别制备致密以及多孔的TiO2层,然后通过溶剂热法直接生长一层CuInS2半导体薄膜于TiO2薄膜层上,用CuInS2这种窄带隙半导体材料敏化TiO2薄膜,同时采用P3HT作为空穴传输层,组装结构为导电玻璃/致密TiO2/多孔Ti02/CuInS2/P3HT/Au的有机/无机杂化太阳能电池。研究表明此种电池器件具有大的正向扩散电流、小的反向漂移电流,说明其具有典型的单向导电性。以反应物InCl3·4H20浓度是0.03 M下制备的CuInS2薄膜样品组装有机/无机杂化电池,其电池器件的开路电压(Voc)为218mV,短路电流(Jsc)为2.8 mA/cm2,填充因子(FF)为0.26,最终的光电转换效率为0.2%,需要进一步调节薄膜材料的组分、结构、形貌以及改进电池组装技术以优化器件性能。 第三部分:以铜丝(直径约为60μm)为衬底,通过简易的溶剂热法在其表面直接生长一层CuInS2薄膜,探索出使铜丝不断裂、可编织的溶剂热反应条件:溶剂热温度60℃,反应时间8 h。在该溶剂热条件下,圆柱状铜丝衬底经溶剂热反应后并没有遭到破坏,仍旧保持很大的柔性,且铜丝衬底与制备的CuInS2薄膜结合力强,在后续的器件组装过程中,未见薄膜脱落现象。然后通过化学浴沉积法在上述长有CuInS2薄膜的铜丝上沉积一层CdS或ZnS缓冲层。研究表明ZnS缓冲层的最佳沉积时间段为30 min~60 min,在此时间段内生长的ZnS层能够致密均匀地分布。最后,通过磁控溅射i-ZnO、ITO、Ni-Al层,组装结构为Cu丝/CuInS2/CdS/i-ZnO/ITO/Ni-Al的太阳能器件,此器件具有大的正向扩散电流,反向漂移电流几乎为零,说明其具有典型的p-n结特性—单向导电性。此种单根线状电池质轻、柔性大、可实现编织等处理,使其应用进一步扩宽,具有非常诱人的开发前景。 【关键词】:铜铟硫 薄膜 溶剂热法 柔性 太阳能电池
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM914.4
【目录】:
  • 摘要5-8
  • ABSTRACT8-13
  • 第一章 绪论13-29
  • 1.1 太阳能电池概述13-15
  • 1.1.1 太阳能电池的研究背景及意义13
  • 1.1.2 太阳能电池的基本原理13
  • 1.1.3 太阳能电池的分类及发展方向13-15
  • 1.2 CuIn(Ga)S_2薄膜太阳能电池15-21
  • 1.2.1 CuIn(Ga)S_2薄膜太阳能的发展历史15
  • 1.2.2 CuIn(Ga)S_2薄膜太阳能的器件构造15-17
  • 1.2.3 柔性CuIn(Ga)S_2薄膜太阳能电池17-19
  • 1.2.4 CuIn(Ga)S_2薄膜太阳能电池的发展方向19-21
  • 1.3 CuInS_2薄膜吸收层材料21-27
  • 1.3.1 吸收层材料CuInS_2的结构21
  • 1.3.2 吸收层材料Cu(In_(1-x)Ga_x)(S_(1-y)Se_y)_2的制备方法21-27
  • 1.4 论文的主要思路和研究内容27-29
  • 第二章 CuInS_2薄膜的原位生长及其作为柔性太阳能电池吸收层29-48
  • 2.1 引言29-30
  • 2.2 实验部分30-33
  • 2.2.1 原料及仪器30-32
  • 2.2.2 样品合成及器件组装32-33
  • 2.2.3 样品表征方法33
  • 2.3 结果与讨论33-47
  • 2.3.1 CuInS_2薄膜的形貌、结构33-37
  • 2.3.2 不同反应条件对CuInS_2薄膜形貌、结构的影响37-45
  • 2.3.3 CuInS_2薄膜的光电性质45-47
  • 2.4 本章小结47-48
  • 第三章 CuInS_2基有机/无机杂化太阳能电池48-62
  • 3.1 引言48-51
  • 3.1.1 有机/无机杂化电池的工作原理及分类48-51
  • 3.1.2 本章中基于CuInS_2有机/无机杂化电池的工作51
  • 3.2 实验部分51-55
  • 3.2.1 原料及仪器51-53
  • 3.2.2 样品合成及器件组装53-54
  • 3.2.3 样品表征方法54-55
  • 3.3 结果与讨论55-61
  • 3.3.1 致密及多孔TiO_2薄膜的形貌、结构分析55-56
  • 3.3.2 CuInS_2薄膜的形貌、结构56-59
  • 3.3.3 器件的进一步组装与光电性能研究59-61
  • 3.4 本章小结61-62
  • 第四章 CuInS_2基线状柔性太阳能电池的制备探索62-74
  • 4.1 引言62-63
  • 4.2 实验部分63-66
  • 4.2.1 原料及仪器63-65
  • 4.2.2 样品合成及器件组装65-66
  • 4.2.3 样品表征方法66
  • 4.3 结果与讨论66-73
  • 4.3.1 铜丝上制备CuInS_2薄膜的形貌、结构66-69
  • 4.3.2 缓冲层的制备及探索69-73
  • 4.4 本章小结73-74
  • 第五章 总结与展望74-76
  • 5.1 论文总结74-75
  • 5.2 论文展望75-76
  • 参考文献76-85
  • 攻读硕士学位期间获得的成果85-87
  • 致谢87


您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

一步法电化学沉积Cu(In_(1-x),Ga_x)Se_2薄膜的特性    敖建平;孙国忠;闫礼;康峰;杨亮;何青;周志强;李凤岩;孙云;

高分子聚合物在太阳能电池电解质中的应用    周娴;潘华锦;张莉;汪洁;

CuInSe_2和Cu(In,Ga)Se_2薄膜的制备进展    陈志钢;马冠香;唐明华;胡俊青;

电沉积铜铟镓硒太阳能电池的研究进展    白利锋;闫志巾;

周期换向脉冲电沉积-硒化法制备铜铟镓硒薄膜    曹洁;曲胜春;刘孔;王占国;

Preparation of transparent TiO_2 nanocrystalline film for UV sensor    

Improved and excellent CO sensing properties of Cu-doped TiO_2 nanofibers    

薄膜太阳电池CIGS吸收层低成本制备-电沉积工艺研究    庞来学;李爱民;徐静;韩念凤;郝秀红;

太阳电池用CuInSe_2薄膜的电化学可控沉积    赖延清;刘芳洋;张治安;刘军;李劼;刘业翔;

Breaker温度开关自动上料设备的设计    吴旭东;张慧;

以乙醇作溶剂电沉积制备CIGS薄膜    王信春;胡彬彬;王广君;杨光红;万绍明;杜祖亮;

有机无机杂化太阳能电池研究进展    杨健茂;彭彦玲;田启威;陈志钢;

晶体硅太阳电池工艺技术新进展    赵汝强;梁宗存;李军勇;金井升;沈辉;

有机太阳电池面临的机遇、问题和对策    施敏敏;陈红征;吴刚;汪茫;

薄膜太阳能电池的研究进展    张中俊;王婷婷;曾和平;

电场辅助溶液法制备氧化锌纳米棒阵列及其形貌研究    李静雷;郑凯波;李娟;孙大林;陈国荣;

用化学浴沉积制备无机功能薄膜材料的研究    汪浩;徐海燕;严辉;

牛血清蛋白单层分子膜诱导生长PbS晶体    熊浩洋;胡彬彬;薛中会;蔡莉;戴树玺;杜祖亮;

电沉积/硫化法制备CuInS_2薄膜微结构研究    阎有花;刘迎春;方玲;李德仁;卢志超;周少雄;李正邦;

单步电沉积法制备CuInS_2薄膜    李娟;莫晓亮;孙大林;陈国荣;

化合物太阳能电池与材料的研究进展    蒋荣华,肖顺珍,杨卫东

环境矿物材料在土壤、水体、大气污染治理中的利用    鲁安怀

P(VDF-HFP)基凝胶电解质染料敏化纳米TiO_2薄膜太阳电池    郭力,戴松元,王孔嘉,方霞琴,史成武,潘旭

染料敏化太阳能电池的研究进展    邢进;姚叙红;朱林泉;冯再新;薛忠晋;

有机染料敏化纳米晶太阳能电池    郑冰;牛海军;白续铎;

离子液体在TiO_2纳晶染料敏化太阳能电池中的应用    王淼,林原,肖绪瑞

聚硅氧烷凝胶网络电解质准固态TiO_2纳晶太阳电池    李维盈,康俊杰,李学萍,方世璧,林原,王桂强,肖绪瑞

染料敏化太阳能电池中聚合物电解质的优化    张昌能,王淼,周晓文,林原,方世璧,李学萍,肖绪瑞,岑况

一种新型的准固态电解质在染料敏化太阳能电池中的应用    王淼;杨雷;周晓文;林原;李学萍;冯树京;肖绪瑞;

聚丙烯酸电解质准固态染料敏化TiO_2太阳能电池    魏月琳,黄昀昉,吴季怀,郝三存

直流磁控溅射陶瓷靶制备ITO薄膜及性能研究    夏冬林;杨晟;王树林;赵修建;

染料敏化纳米薄膜太阳电池中离子液体基电解质的研究进展    潘旭,戴松元,王孔嘉,史成武,郭力

友达太阳能垂直整合布局见雏型    

全球薄膜电池产能增速连续两年逾120%    

保定天威采用欧瑞康太阳能技术开始量产薄膜太阳能电池    

太阳能光伏技术演绎城市亮化照明的缤纷时代    朱俊;

将太阳能电池打印到纸上    波合;

亚洲第一座聚光型太阳能示范电厂将在台运转    

日本产综研所制成高分子涂布型有机薄膜太阳能电池的高集成模块    江兴;

全球首条双线双结大面积硅基高效薄膜太阳能电池项目投产    潘雄;

薄膜太阳能 下一桶金?    Helen;

适度加快我国薄膜电池产业发展步伐    

构建生态宜居之都—从光伏建筑一体化开始    时方晓;陈曦;

薄膜太阳电池用TCO玻璃发展分析    郭卫;陈静;

铜铟硒(CIS)薄膜太阳能电池吸收层的硒化工艺优化研究    王波;刘平;李伟;刘新宽;马凤仓;陈小红;

铜铟镓硒和铜锌锡硫化合物半导体纳米材料的制备    张庶;张晓琨;孙一灵;向勇;

新型高效铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的研究和开发状况    庄大明;张弓;

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的研究进展    岳恩;唐龙;罗顺安;张平;

室温固相合成CuInS_2纳米粒子    康诗钊;崔泽一;穆劲;

CuO薄膜的制备及其光伏特性    张君善;高斐;刘晓静;宋美周;李宁;

溶剂热法制备钛黑及其性能表征    管东波;毛健;

温度交变环境对薄膜太阳电池相关层材料性能的影响    郝延明;蔡宏琨;周严;林波;张德贤;林列;

非晶硅薄膜太阳能电池项目开工    梅永生 王芳 姜木金

薄膜太阳能电池关键设备实现中国造    本报记者 汪叶舟

我国生产高端薄膜太阳能电池有了“利器”    记者 王春

成本优势凸显 薄膜太阳能电池产业提速    于化丛

超大型硅基薄膜太阳能电池下线    魏双林

做企业要“快”人半拍    翟永杰 本报记者 李延生

汉能薄膜太阳能电池 项目可行性通过评审    刘平 王超慧

薄膜太阳能电池 超薄 廉价 高效    

我可再生能源研究取得新进展    记者 冯国梧 通讯员 张国

我国将建第一条铜铟硒薄膜太阳能电池中试线    风影

铜铟硒薄膜太阳能电池相关材料研究    万磊

溶胶—凝胶法制备铜锌锡硫(Cu_2ZnSnS_4)薄膜太阳能电池    苏正华

纳米半导体材料对新型薄膜太阳能电池性能影响的研究    郭薇

Cu_2ZnSnSe_4薄膜太阳能电池的制备及其p-n结能带偏移的研究    李纪

柔性基底薄膜太阳能电池研究与试制    冯煜东

对溅射法制备的铜铟镓硒吸收层与掺铝氧化锌窗口层结构与性能的研究    李欣益

溶剂热有机原位反应及其无机—有机杂化产物的物理性质研究    陈阳

基于二氧化钛与聚苯胺太阳能电池的研究    刘自然

金属墨水法制备CuInS_2薄膜及太阳电池    陈官璧

一元、二元离子掺杂钛酸钡的水热(溶剂热)法制备及其性能研究    张文星

铜铟硫(CuInS_2)薄膜太阳能电池的制备与光电性能研究    唐明华

有机薄膜太阳能电池物理性质的研究    王平

纳米硅薄膜太阳能电池的制备和性能研究    叶枫

铜锌锡硒薄膜太阳能电池相关材料的研究    韩磊

铜锌锡硒薄膜太阳能电池研究    孟明明

硅基薄膜太阳能电池材料的制备与性能研究    尤天友

有机小分子薄膜太阳能电池器件电极缓冲层的机理研究    刘亚东

薄膜太阳能电池的遗传算法优化    王全志

基于背部表面等离子体对薄膜太阳能电池效率的影响    王李

碲化镉薄膜太阳能电池相关材料的制备与表征    侯泽荣