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czts太阳能电池的缓冲层和功能层材料的制备

CZTS太阳能电池的缓冲层和功能层材料的制备

引用

作者：钟楚巍厦门大学

学位级别：硕士

本论文研究了铜锌锡硫（czts）薄膜太阳能电池用功能层和缓冲层材料的制备。采用热注入法制备了czts的纳米粒子并制成墨水,通过涂布和旋转涂覆法制备了czts纳米晶薄膜,并在氮气气氛中于380℃对薄膜进行了退火处理,之后进行了硫化和硒化... 详细信息

本论文研究了铜锌锡硫（czts）薄膜太阳能电池用功能层和缓冲层材料的制备。采用热注入法制备了czts的纳米粒子并制成墨水,通过涂布和旋转涂覆法制备了czts纳米晶薄膜,并在氮气气氛中于380℃对薄膜进行了退火处理,之后进行了硫化和硒化。通过XRD, SEM等测试表征手段做了研究,得到以下结论：从TEM、SEM和XRD可知,合成的纳米粒子直径7nm-15nm,具有高度的分散性。通过电子探针分析,Zn元素在合成中有一定的损失。从XRD和Raman光谱中,得出230℃是最佳的纳米粒子合成温度。退火可以提高结晶度,而硫化除了提高结晶度,也可以消除Cu4SnS4杂质相。硒化可以很大程度促进纳米粒子的结晶和杂质向czts晶体的转变。从SEM可以观察到,涂布后退火的薄膜会产生裂纹,而旋转涂覆法后烘干再退火的样品会产生气孔,旋转涂覆法后空气中干燥的薄膜质量良好。同时,本文还研究了通过化学水浴沉积法（CBD）制备的均匀硫化镉（CdS）纳米晶薄膜,并考察了合成温度、合成时间和双层工艺对薄膜的影响规律。通过AFM、SEM、XRD等测试系统地探讨了薄膜的表面形貌、晶体结构、透过率和厚度特征。并从均相反应和异相反应的原理,解释了CdS的成膜机理和其对薄膜质量的影响。沉积温度为80℃,沉积时间为10min时,薄膜的质量最好。沉积温度太低或者沉积时间不足,会使得薄膜的覆盖性不高;而反应时间太久的话,会有团簇的颗粒附着造成薄膜粗糙松散。同时,利用第二次短时间的沉积可以显着增加膜厚度和结晶性并减少粗糙度。此控制薄膜厚度与表面均匀性的方法对于制备应用广泛的CdS薄膜具有重要的意义。最后,本文采用化学水浴方法制备ZnS薄膜,考察了合成时间、柠檬酸钠和掺杂工艺、结晶基底和退火对薄膜的影响规律。SEM、XRD、紫外可见光谱仪和台阶仪等测试系统地探讨了薄膜的表面形貌、晶体结构、透过率和厚度特征。并解释了ZnS的成膜机理和实验现象。由于在50min之前,沉积反应处于诱导期,反应速度慢。而在大于70min以后,反应处于成熟期,所以选择60min作为沉积时间。柠檬酸钠对ZnS薄膜的性质影响不大,只能略微减少透过率,增加结晶度和表面平整度。硼酸的掺杂会产生自身的结晶,同时填补ZnS薄膜的空穴：而铝离子可以在溶液中水解并受热,并与胺形成配体,起到了缓释作用,促进离子吸附。结晶基底可以小幅度促进ZnS薄膜的结晶,并使得大颗粒的沉积有一定的取向性。500℃下退火1h,可以使得ZnS薄膜转变为ZnO,并提升表面平整度。

关键词： czts纳米晶 CdS薄膜 ZnS薄膜热注入化学水浴沉积

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Ta掺杂ZnO和Cu2ZnSnS4半导体材料湿化学制备、物性表征及其应用

Ta掺杂ZnO和Cu2ZnSnS4半导体材料湿化学制备、物性表征及其应用

引用

作者：郭炳磊南京大学

学位级别：硕士

现代工业的迅猛发展给人类社会带来了丰富的物质财富同时,也带来了能源短缺和环境污染问题。发展环境友好、低成本高效太阳能电池材料和光催化环境材料,是解决上述问题的可行途径。一方面,传统光催化半导体材料,如：TiO2和ZnO有着... 详细信息

现代工业的迅猛发展给人类社会带来了丰富的物质财富同时,也带来了能源短缺和环境污染问题。发展环境友好、低成本高效太阳能电池材料和光催化环境材料,是解决上述问题的可行途径。一方面,传统光催化半导体材料,如：TiO2和ZnO有着突出的光催化性能和广泛的应用前景,但对可见光的吸收效率比较低,对传统光催化半导体材料的掺杂改性一直受到人们极大的关注。目前世界上许多地区水资源短缺,清洁安全的饮用水越来越重要,因微生物引发的疾病仍多不胜举。半导体光催化氧化技术以其高效简单、反应条件温和、使用范围广、可重复利用等突出优点,成为一种环境友好的水处理技术,可降解有害的工业废水和有毒废气,并对水进行杀菌消毒。另一方面,太阳能是最丰富清洁可再生的能量来源,在过去十年中依靠光伏获取的能量正以每年40%的速率增长。已经商业化的铜铟镓硒薄膜太阳能电池,由于电池工艺较为复杂,成本较高,构成的In元素较为紧缺,妨碍了其大规模的应用。开发工艺简单、成本低、能量转换效率高的新型半导体光吸收材料,是当前研究的一个热点。Cu2ZnSnS4（czts）作为一种新型的光伏吸光材料,受到广泛关注。本论文利用湿化学法制备了半导体材料-Ta掺杂ZnO纳米粉末以及czts薄膜和纳米晶,表征了它们的基本物性,并系统研究了Pechini改性方法合成的Ta掺杂ZnO纳米粉末对四种常见细菌的抗菌性能,阐明了其抗菌机理;同时对溶胶-凝胶法制备czts薄膜和水热法合成czts纳米晶的工艺、相结构和光学带隙进行了深入研究,探索了czts薄膜太阳能电池的制作流程。主要进展如下： 1、研究了ZnO中不同Ta掺杂量对于四种细菌在暗环境中最小抑菌浓度MIC的影响,确定了5mol%Ta掺杂ZnO纳米粉末对于金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的MIC在160-200μg/ml之间,同纯ZnO相比,展示出明显改进的抗菌性能。系统表征了可见光下不同Ta掺杂ZnO纳米粉末的光催化抗菌性能。结果表明,Ta5+离子掺杂进入ZnO晶格后,能显著提高可见光条件下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞杆菌的抗菌性能,归因于可见光条件下样品具有较大的光催化活性、更多的表面缺陷、氢氧根基团和更小的晶粒尺寸。其中,可见光照射下Ta掺杂ZnO产生的过氧化氢在抗菌机理中扮演着至关重要的角色,为其未来应用于环境处理,特别是水处理,提供了一种可能性。另外对Nb掺杂ZnO纳米粉末的抗菌性能也进行了表征,表现出与Ta掺杂ZnO样品大体相似的抗菌性。相对于纯ZnO来说,3%Nb掺杂ZnO纳米粉末的抗菌能力较佳。 2、以乙二胺作为耦合剂和稳定剂,通过溶胶-凝胶法,系统研究了退火气氛、退火温度对czts薄膜的相结构、形貌和光学带隙的影响。在含H2S气氛中500℃退火,成功制备了较纯kesterite相的czts薄膜,光学带隙为1.48eV,适合于作为太阳能电池中的光吸收材料应用。采用化学浴沉积方法,研究了CdS薄膜的生长曲线、晶体结构、表面形貌和光学吸收性质。在此基础上,探索了两种电极衬底制作czts薄膜太阳能电池的流程。Mo电极上czts薄膜太阳能电池的开路电压达到214mV,然而过小的短路电流,严重影响了能量转换效率,制作工艺尚需进一步优化。 3、采用低温水热法可控合成了尺寸在3-10.5nm之间高纯kesterite相的czts纳米晶,系统研究了水热处理时间对晶粒尺寸、结晶性能的影响。观测到随着纳米晶尺寸的减小,出现Raman谱展宽,并向高波数移动。探索了不同晶粒尺寸对光学吸收及光学带隙的影响,讨论了波尔激子半径附近光学带隙的变化。czts纳米晶的光学吸收谱在4.8nm以下出现蓝移。光学测试发现当合成出的czts纳米晶尺寸（3nm）和波尔激子半径在同一个量级,出现明显的量子限制效应,导致其光学带隙蓝移0.47eV。水热法合成出的亲水性czts量子点,有望在量子点敏化太阳能电池上获得应用。

关键词： Ta掺杂ZnO 抗茵性 czts薄膜 czts纳米晶太阳能电池

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