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太阳能电池CIS粉体的回流反应法制备及特性研究
作 者: 巩小亮
导 师: 周继承
学 校: 中南大学
专 业: 电子科学与技术
关键词: 薄膜太阳能电池 CIS系粉体 回流反应 光电性能
分类号: TB383.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
CIS系太阳电池是最有潜力的薄膜太阳能电池之一,但复杂、难控的CIS系吸收层薄膜的制备技术是其实现大规模产业化的瓶颈。CIS系粉体材料的研发可为吸收层薄膜的制备提供多种简洁的思路,有望大幅度改进薄膜制备工艺、降低生产成本。本论文针对CIS系粉体材料的制备研究中存在的问题,对低成本、高质量CIS系粉体的可量产化制备技术进行了探索研究,以金属氯化物和Se/S为原料,在适宜的有机溶剂中通过回流反应法制备了CIS系粉体。开展的主要工作及研究结果简述如下:(1)以乙二胺为溶剂,通过回流反应结合快速热处理的方法制备了CuInSe2粉体;研究了各工艺参数对产物的影响,并分析了反应机理。结果表明,回流反应产物为Cu和In的二元硒化物,通过热处理可生成单相黄铜矿型CuInSe2,产物元素配比接近理想比例;提高热处理温度和增加热处理时间(30 min内)有利于CuInSe2相的完全形成和结晶质量的改善,但热处理时间的延长对产物微观形貌有不良影响;600℃/30 min是较佳的热处理条件。(2)以三乙烯四胺为溶剂,通过回流反应直接制备了CIS粉体,研究了反应温度和时间等参数对产物各种性质的影响,探讨了合成机理。结果表明:以三乙烯四胺为溶剂可有效制备单相CuInSe2粉体,并且反应时间大大缩短,产物的元素配比良好,形貌规则。反应温度的提高有利于反应的加快和良好的结晶,200℃/1~2 h是较佳的反应条件。而同样工艺条件用于CuInS2粉体制备时,则出现少量二元杂相,采用三乙烯四胺+乙二醇混合溶剂可得到单相CuInS2,相比CuInSe2粉体,其成相更为容易,粒子更为细小均匀。(3)采用三乙烯四胺+乙二醇混合溶剂通过回流反应制备了CuIn(SxSe1-x)2粉体,研究了S的掺入效果和S含量对产物各种性质的影响,并考察了不同S含量下CuIn(SxSe1-x)2的光学和电学性能。结果表明:制得的CuIn(SxSe1-x)2粉体为单相黄铜矿型结构,各元素比例与既定配比十分接近;产物微观形貌良好,粒子接近球形且尺寸较小分布均匀;S的掺入对CIS材料的带隙宽度有明显的提升作用;随S含量的增长,CuIn(SxSe1-x)2的载流子浓度逐渐减小,迁移率和电阻率逐渐增大,在S/(S+Se)为0~0.6的范围内,CuIn(SxSe1-x)2为p型半导体,各电学特性符合作为太阳电池吸收层的要求。
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全文目录
摘要 3-5 ABSTRACT 5-9 第一章 绪论 9-29 1.1 太阳能电池的发展 9-12 1.1.1 传统能源危机与太阳能电池的发展 9-10 1.1.2 太阳能电池的原理与种类 10-11 1.1.3 薄膜太阳能电池的机遇与发展现状 11-12 1.2 CIS系薄膜电池研究现状 12-21 1.2.1 CIS系薄膜电池的特点与效率进展 12-14 1.2.2 CIS材料的结构与性质 14-16 1.2.3 CIS系吸收层薄膜的制备方法 16-19 1.2.4 存在问题与发展思路 19-21 1.3 CIS粉体材料的研究现状 21-27 1.3.1 CIS系粉体材料的研究意义与应用 21-22 1.3.2 CIS系粉体的制备方法 22-27 1.3.3 总结与思考 27 1.4 本论文的研究目的与内容 27-29 第二章 CIS粉体的制备与性能表征方法 29-37 2.1 所用试剂及设备 29-30 2.2 实验方案和内容 30-31 2.3 测试表征方法 31-37 2.3.1 X射线衍射分析(XRD) 31 2.3.2 拉曼光谱(Raman) 31-32 2.3.3 扫描电子显微镜(SEM) 32-33 2.3.4 X射线能谱仪(EDS) 33 2.3.5 热重—差热分析(TG-DTA) 33-34 2.3.6 紫外—可见光吸收光谱测试 34 2.3.7 霍尔效应测试 34-37 第三章 CuInSe_2粉体的制备与合成机理探讨 37-55 3.1 溶剂对回流反应产物的影响 37-38 3.2 CuInSe_2粉体的两步法制备 38-46 3.2.1 前驱物物相与TG-DTA分析 38-40 3.2.2 样品的物相与结构分析 40-42 3.2.3 热处理参数对产物的影响 42-44 3.2.4 样品的微观形貌与化学组成 44-46 3.3 CuInSe_2粉体的一步法制备 46-53 3.3.1 物相分析与影响因素探讨 46-49 3.3.2 合成机理探讨 49-50 3.3.3 微观形貌与化学组成 50-53 3.4 本章小结 53-55 第四章 CIS粉体的掺杂与光电特性 55-65 4.1 CuInS_2粉体的结构与特性 55-58 4.1.1 物相与结构 55-57 4.1.2 微观形貌 57-58 4.1.3 化学组成 58 4.2 Culn(S_xSe_(1-x))_2粉体的结构与特性 58-62 4.2.1 物相与结构 58-59 4.2.2 化学组成 59-61 4.2.3 微观形貌 61-62 4.3 CIS粉体的光电特性 62-64 4.3.1 光学性能分析 62-63 4.3.2 电学性能分析 63-64 4.4 本章小结 64-65 第五章 结论 65-66 参考文献 66-77 致谢 77-78 攻读学位期间主要的研究成果 78
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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