CIS类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究

CIS类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究.txt39人生旅程并不是一帆风顺的，逆境失意会经常伴随着我们，但人性的光辉往往在不如意中才显示出来，希望是激励我们前进的巨大的无形的动力。40奉献是爱心，勇于付出，你一定会收到意外之外的馈赠。本文由shevjiang贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。ｙ１４０４９３７分类号：ＵＤＣ：ＴＭ６１学校代号：１０１５０学号：２００５２１０１密级：峡建交戤挚硕士学位论文ＣＩＳ类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究ＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈＯＨａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｌａｙｅｒａｎｄｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｍａｔｅｒｉａｌｉｎＣＩＳ－Ｃｌａｓｓｓｏｌａｒｃｅｌｌ学生姓名：导师及职称：学科门类；专业名称：研究方向：申请学位级别：论文答辩日期：学位授予单位：刘元之薛钰芝教授工学材料学薄膜光伏材料与器件硕士２００８年６月５日大连交通大学摘要摘要太阳能是“取之不尽，用之不竭＂的清洁和可再生能源。铜铟硒类薄膜太阳能电池具有优异的光电转换性能而受到广泛关注。ＣｕｌｎＳｅ２（简称ｃＩｓ）是一种直接带隙材料，其光吸收系数高达１０５数量级，是目前己知光吸收性最好的半导体薄膜材料之一。ＣＩＳ类薄膜太阳能电池以ＣＩＳ为吸收层、以ＣｄＳ为缓冲层，光电转换效率较高。太阳光的最佳吸收能隙在１．４５ｅＶ，ＣｕＩｎＳｅ２的带隙为１．０４ｅＶ，为了提高带隙宽度，通常掺入Ｇａ，形成ＣｕＩｎＧａＳｅ四元化合物。鉴于Ｉｎ和Ｇａ均为昂贵金属，本文通过在ＣＩＳ中掺入廉价的金属ｍ形成ＣｕＩｎＡｌＳｅ（Ｃ认Ｓ），改变材料的禁带宽度，以提高太阳能电池的转换效率。缓冲层ＣｄＳ中的Ｃｄ有毒，本文制备无毒的ＺｎＳ替代ＣｄＳ做为太阳能电池的缓冲层材料，对环境保护有利。本文首先在玻璃衬底真空上蒸镀Ｃｕ．Ｉｎ和Ｃｕ－Ｉｎ－Ａｌ金属多层膜以及后硒化退火的方法，制得了ＣＩＳ和ＣＩＡＳ薄膜。然后以ＺｎＳ０４?７Ｈ２０和ＣＳ（ＮＨ２）２为原料，以ＮＨ３?Ｈ２０为络和剂，用化学水浴沉积法（ＣＢＤ）制得了ＺｎＳ薄膜。进而，对制得的样品用Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ）、扫描电镜（ＳＥＭ）、能谱仪（ＥＤ）（）、四探针电阻测试仪、分光光度计等进行了检测，并对结果进行了分析。吸收层电性能测试结果显示，ＣＩＳ薄膜的电阻率在３．６８×１０４Ｑ?ｃｍ与１．８９Ｑ?ｃｍ之间。当Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｅ的比例在１：１：２附近时，薄膜样品的电阻率在１．０Ｑ?ｃｍ数量级，ＣＩＡＳ薄膜的电阻率较ＣＩＳ薄膜的低，最高为０．６６×１０ｄＱ?锄。ＳＥＭ观察发现ＣＩＳ薄膜样品的形貌随各元素比例不同而有差异。在化学计量比附近，富Ｃｕ的样品晶粒较大。ＸＲＤ物相分析显示，在化学计量比附近能够获得单一物相的ＣＩＳ多晶薄膜，砧替代部分Ｉｌｌ后，ＣＩＡＳ保持了黄铜矿型结构。分光光度计检测结果显示，两种薄膜样品的透光率在５％以下。ＳＥＭ观察发现，ＺｎＳ薄膜表面形貌呈球形，颗粒细小；四探针电阻测试显示ＺｎＳ薄膜的电阻率大于１．ＯｋＱ?ｃｍ，这样的电阻率满足制作太阳能电池的要求。ＸＲＤ物相分析显示，ＺｎＳ薄膜呈非晶或微晶状态。分光光度计检测说明ＺｎＳ薄膜样品的透光率在可见光波段大都在８０％以上，其性能均显示了ＺｎＳ薄膜适于做太阳能电池缓冲层材料。关键词：ＣＩＳ，ＣＩＡＳ，太阳能电池，硒化大连交通大学工学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＥｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｈａｖｅｗｏｒｌｄｅｃｏｎｏｍｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｏｌａｒｅｎｅｒｙａｌｗａｙｓａｖａｉｌａｂｌｅｆｏｒ、析ｔｌｌｉｎｔｏｃａｎｂｅｃｏｍｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｍａｔｔｅｒｔｏｔｈｅｍｏｄｅｍｂｅｓｅｅｎ勰ｉｎｅｘｈａｕｓｔｉｂｌｅｉｎｓｕｐｐｌｙａｎｄｕｓｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄ晰ｔｌｌｆｏｓｓｉｌｆｕｅｌ，ｓｏｌａｒｅｎｅｒｙｈａＳｔｈｅｓｐｅｃｉａｌａｄｖａｎｔａｇｅｓｃｌｅａｎａｎｄｒｅｎｅｗａｂｌｅ．ＴｈｅｓｏｌａｒｃｅｌｌｈａＳｂｅｃｏｍｅｔｈｅｆｏｃｏｕｓｆｏｒｉｔｓａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｏｎｖｅｒｔｌｉｇｈｔａｅｌｅｃｔｒｏｃｉｔｙ．ＣｕＩｎＳｅｚ（ＣＩＳ）ｉｓｋｉｎｄｏｆｄｉｒｅｃｔｂａｎｄｇａｐｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌ，ｉｔｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅａｃｈｅｄ１０’，ｉｓｔｈｅｈｉｇｈｉｓｔｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｉｔｓｍａｋｅＣＩＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｔｈｅｆｏｃｕｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｈｉ曲ｔｏｏ，ｗｈｉｃｈｉｎｐｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｆｉｅｌｄｓ．ＣＩＳｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ，ｉｅ．ｓｅｌｅｎｙｌａｔｉｏｎｉｓｄｏｎｅｆｏｒｔｈｅＣｕ－ＩｎｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｄｅｐｏｓｉｔｅｄｏｎｇｌａＳｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｖｉａｖａｃｕｕｍｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ＺｎＳｔｈｉｎｆｉｌｍｉｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙＣｈｅｍｉｃａｌａＳＢａｔｈＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＢＤ），ｕｓｅｄＺｎＳ０４?７Ｈ２０ａｎｄＣＳ（ＮＨ２）２鹄ｃｏｍｐｌｅｘｉｎｇｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄＮＨ３?Ｈ２０ａｎｄａｇｅｎｔ．ＳＥＭ，ＸＲＤ，ＦｏｕｒＰｏｉｎｔｐｒｏｂｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒａｒｅｕｓｅｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓ．ＴｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＣＩＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｒａｎｇｅｄｆｒｏｍ３．６８ａｔ１：１：２，ｉｔｓＸ１０‘４Ｑ?ｃｍｔｏ１．８９ｆ】?ｃｍ，ｗｈｅｎｔｈｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆＣｕ、Ｉｎ、ＳｅｉｓｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｉｓａｂｏｕｔＱ?ｃｍｍａｇｎｉｔｕｄｅ．ＴｈｅｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆＺｎＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｌｋＱ?ｃｍ，ｔｈｉｓｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍｏｎｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｏｌａｒｃｅｌｌ．ＴｈｅＸＲＤａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗ：ｓｉｎｇｌｅｐｈａＳｅＣＩＳｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｃｏｕｌｄｂｅｐｒｅｐａｒｅｄｉｆｔｈｅａｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓａｂｏｕｔｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃｒａｔｉｏ，ＺｎＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｈａｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｒｍｐｈｏｕｓｏｒｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ．ＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｈｏｗｅｄ：ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔ嬲ｔｈｅｏｆＣＩＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｉｓａｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｄ，ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＺｎＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｈａｄｓｈａｐｅｏｆｂａｌｌ，ａｎｄｉｔｓｇｒａｉｎｓａｒｅｆｉｎｅ．ＴｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｆＣＩＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓｉｎｖｉｓｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕａｌｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔ５％，ａｎｄｔｈａｔｏｆＺｎＳｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ８０％．Ａｌｌｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｈｏｗｅｄｔｈｅｙａｒｅｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｉｎｓｏｌａｒ－ｃｅｌｌ—ｍａｎｕｆａｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＣｕｌｎＳｅ２ｔｈｉｎｆｉｌｍ；ｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｓｅｌｅｎｙｌａｔｉｏｎⅡ大连交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属：太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，．允许论文被查阅和借阅。本人授杈太整壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入中国科学技术信息研究所《中国学位论文全文数据库》等相关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。、一．。？。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）学位论文作者张主。ｊ毛之锄鲐蘑袍日期：＆?＿丫年歹月午日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电子信箱：[e-mail]电话：邮编：日期：加扩年ｒ月夕。日大连交通大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本人安全意识到本声明的法俘效力，申请学位论文与资料若有不‘…一¨～．‘‘实之处，由本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：划’灿之日期：≥９≥旷年莎月年占第一章绪论第一章绪论－■‘－－－■－刖吾能源是现代社会存在和发展的基础和动力。人类社会要实现可持续发展，面临着巨大的能源的挑战，目前，人类社会能源消费的构成以不可再生能源为主。化石能源的应用为现在经济社会的发展做出了巨大的贡献，同时也带来了一系列环境问题：全球性温室效应使地面气温升高、空气污染，干旱、荒漠化、风暴和海平面上升，废气、废液、废物等大量排放，自然资源大量浪费，造成人类环境的严重污染。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显。根据（ＢＰ世界能源统计２００６））的统计数据，全球石油探明储量可供生产４０多年，天然气和煤炭分别可以供应６５年和１５５年。在化石能源供应日趋紧张的背景下，世界各国均努力寻求稳定充足的能源供应，其中大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要部分。随着经济的发展、社会的进步，人们对能源也提出越来越高的要求，新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；－－是安全、洁净，不会威胁人类和破坏环境。科学家们为了环保正在开发清洁的再生能源以降低温室效应，而太阳能就是一种最重要的可再生能源之一。从理论上看，太阳能每秒钟到达地面的能量高达８０万千瓦，如转化为电能，则每年的发电量相当于目前世界上能耗的４０倍。太阳能具有许多优点：太阳能随处可得，数量巨大，无需运输；取之不尽，用之不竭的可再生性；既清洁又安全、无污染，也不会影响生态环境。最重要的是太阳能发电可以将太阳光能直接转化为电能，是太阳能利用研究中最重要的研究领域之一。因此，开发利用太阳能成为世界各国可持续发展能源的战略决策，无论是发达国家还是发展中国家均制定了中长期发展计划，把光伏发电作为人类未来能源的希望。从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业前景最好，其开发利用增长率远高于常规能源。各国市场均给予太阳能发电相关公司较高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者对这一产业发展前景乐观的预期。我国太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广阔。我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。大连交通大学工学硕士学位论文１．１太阳能电池的发展历程太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的功能元件。早在１８３９年，法国科学家比克丘勒就发现将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生电流，即光电转转换现象，同时从电解液中释放出氢气。适合作这种电极的材料很多，如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化镓、磷化铟、二氧化钛等。１８７６年，科学家发现了第一种能产生显著光电效应的固体材料一Ｓｅ，相继又发现了氧化亚铜也有此效应。从而表明半导体材料是进行光电转换的最理想的材料【ｌＪ。１９５４年美国贝尔研究所的Ｐｅａｒｓｏｎ，Ｃｈａｐｉｎ，和Ｆｕｌｌｅｒ首先应用这个原理试制成功硅太阳电池，获得４．５％光电转换效率的成果【２ｊ。早期