太阳能电池 CuInS2陶瓷的制备及其结构、性能表征

本文由醉灬忘歌贡献doc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。本科毕业论文（设计）题姓目名CuInS2陶瓷的制备及其结构、性能表征陶瓷的制备及其结构、备及其结构学号专业年级职称带格式的:字体:非加粗格式的指导教师2010年5月10日带格式的:字体:加粗格式的带格式的:字体:加粗格式的带格式的:字体:加粗格式的带格式的:两端对齐,缩进:首格式的行缩进:9.5字符I目录绪论……1111太阳能电池概况及选题背景和研究内容……1111.1太阳能电池工作原理……1111.2太阳能电池优点……21.3太阳能电池的发展……21.4CuInS2薄膜太阳能电池……3331.4.1CuInS2的基本性质……3331.4.2CuInS2电池的研究历程……5551.4.3CuInS2薄膜太阳能电池产业化现状……5551.4.4CuInS2薄膜太阳能电池今后的展望……6661.5选题背景和研究内容……7771.5.1选题背景……7771.5.2研究内容……8882CuInS2陶瓷靶材制备工艺……8882.1主要原料……8882.2主要工艺流程……8882.3制备工艺……9992.3.1称料……9992.3.2精磨……9992.3.3真空干燥……9992.3.4压片成型……9992.3.5真空烧结……9993实验结果与分析……1010103.1制备工艺参数……1010103.1.1粘合剂用量……1010103.1.2成型压力……1010103.1.3烧结气氛……1010103.1.4烧结温度……1010103.1.5保温时间……1111113.2收缩率计算……1111113.3XRD图谱分析……1111113.4陶瓷电阻率……131313结论……131313参考文献……141414致谢……151515IICuInS2陶瓷的制备及其结构、性能表征摘要CuInS2作为Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体，由于其具有高的理论转换效率、光吸收系数、禁带宽度与太阳能光谱匹配性极好及热稳定性好等优点，已经引起人们的广泛关注，被看作是很有发展前景的太阳能电池光吸收材料。本文采用传统的固相烧结法，制备CuInS2陶瓷靶材。确定出具有黄铜矿结构的CuInS2陶瓷靶材制备过程中最佳的粘合剂用量、成型压力、烧结气氛、烧结温度以及保温时间。并在此基本上探索了烧结温度和保温时间对CuInS2陶瓷结构、性能的影响。由实验结果可以看到，CuInS2陶瓷靶材的最佳烧结温度为960℃，最佳保温时间为2h。在此条件下制备出的CuInS2陶瓷具有黄铜矿结构。【关键词】太阳能电池CuInS2陶瓷固相法结构性能IIIPreparationofCuInS2CeramicandCharacterizationofitsStructureandPropertyAbstractAsaⅠ-Ⅲ-Ⅵternarysemiconductorcompound,copperindiumdisulfide(CuInS2),withitshightheoreticalconversionefficiency,highabsorption,wellmatchwiththesolarradiation,goodthermalstabilityandotheradvantages,hasemergedasapromisingabsorbermaterialforsolarcells.CuInS2ceramictargetswerepreparedbysolidstatereaction.Theoptimalamountofadhesives,moldingpressure,sinteringatmosphere,sinteringtemperatureandholdingtimewereinvestigatedduringthepreparationofCuInS2ceramictargetwithchalcopyritestructure.Andthen,theinfluencescausedbythesinteringtemperatureandholdingtimewereinvestigatedonthestructureandpropertyofCuInS2ceramic.TheresultsindicatethatCuInS2ceramictarget’soptimumsinteringtemperatureis960℃andtheoptimumholdingtimeis2h.Underthesinteringtemperatureof960℃andtheoptimumholdingtimeof2h,CuInS2ceramicwithchalcopyritestructurewasprepared.【Keyword】solarcellCuInS2ceramicsolidstatereactionstructureproperty】IV湖北大学本科毕业论文（设计）绪论能源是人类存在和发展的物质基础。建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的常规能源体系，曾经极大地推动了人类社会的发展。但化石燃料的大规模开采和利用，已使资源日益枯竭、环境不断恶化，还诱发了不少国家之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至引起冲突和局部战争。1973年由于中东战争引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的“能源危机”，人们认识到常规能源的局限性、有限性和不可再生性，认识到新能源对国家安全的重要性[1]。而太阳能则是人类可利用的最直接的可再生清洁能源之一，其储量巨大，取之不尽、用之不竭，没有环境污染，清洁干净，充满了诱人的前景。因此，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存的地球生态环境的清洁能源；它将逐渐减少和代替化石能源的使用，它的广泛应用是保护生态环境、走经济社会可持续发展的必经之路[2]。太阳能电池利用半导体的光生生伏特效应效应将直接将光能转化为电能,是对环境无污染的可再生能源之一。它的应用可以解决人类社会发展在能源需求方面的三个问题：开发宇宙空间所需的连续不断的能源；地面一次能源的获得，解决目前地面能源面临的矿物燃料资源减少与环境污染的问题；日益发展的消费电子产品随时随地的供电问题。特别是太阳能电池在使用过程中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义[3]。晶体硅最早被用来制备太阳能电池，至今仍在太阳能电池市场占据统治地位。但是晶体硅太阳，为能电池存在着固有弱点：晶体硅是间接带隙半导体，因而具有很低的光吸收系数（约102cm-1）了充分吸收太阳光，硅太阳能电池往往采用复杂设计并制备得较厚，加上晶体硅材料本来就相对昂贵，使得硅太阳能电池的成本相对较高。而薄膜太阳能电池的厚度通常只有1~2μm，制备在玻璃等相对廉价的存底上制备在玻璃等相对廉价的衬底上，可以实现低成本、大面积的工业化生产。其中，CuInS2薄膜以光吸收系数较高、转换效率高、大面积制备简单、性能稳定，成本较低等优点成本较低等优点，成为一种非常有发展前途的太阳能电池吸收层材料。带格式的:字体:TimesNewRoman格式的1太阳能电池概况及选题背景和研究内容1.1太阳能电池工作原理太阳能光伏电池是以半导体P-N结上接受太阳光照射产生光生伏特效应为基础，直接将光能转换为电能的能量转换器。其工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获得超过禁带宽度Eg的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子-空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运到到P-N结区，通过P-N结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与P-N结势垒电场方向相反的光生电场，这就是光生伏特效应[2]，如图1.1所示[4]。1湖北大学本科毕业论文（设计）图1.1光生伏特效应原理图1.2太阳能电池优点太阳能光伏电池借助于半导体器件的光生伏特效应将太阳能直接转换为电能，是最有希望的可重复利用得绿色能源之一。与其他不可重复利用能源（如：媒、石油、天然气、核能等）相比，其有以下显著优点[4]：（1）太阳能本身无成本且取之不尽，用之不竭。照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。另外，根据太阳产生的核能计算，太阳还要照耀地球600多亿年。（2）绿色环保。光伏发电本身不需要燃料，没有CO2的排放，不污染空气。（3）应用范围广。只要有光照的地方就可以利用光伏发电，它不受地域、海拔等因素限制。（4）无机械转动部件，是无公害发电。太阳能电池将光直接转化为电能，没有像涡轮机、发电机一样的可转动部件，因此就没有了噪声和废气污染，是名副其实的清洁能源。（5）使用寿命长。太阳能电池寿命可达20~35年。（6）太阳能电池组件结构简单，体积小且轻，便于运输和安装。（7）保养容易，可以实现自动化、无人化管理。带格式的:字体:TimesNewRoman格式的带格式的:字体:TimesNewRoman格式的带格式的格式的带格式的:字体:TimesNewRoman格式的1.3太阳能电池的发展自1954年美国贝尔实验室研制出第一块半导体光伏电池开始，，伴随着化石能源的危机使人们对可再生能源的兴趣越来越浓，光伏电池进入了快速发展的阶段。单晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的，至今它仍是太阳能电池的主要材料之一。单晶硅的晶体非常完整，材料纯度很高，资源也很丰富，其禁带宽度为1.12eV，,是制备太阳能电池的较理想材料。但是，晶体硅是间接禁带半导体材料，其电池的理想光电转换效率略大于30%。最近，在实验室中，单晶硅太阳能电池的转换效率已达到24.7%。在实际生产线中，高效太阳能电池（主要应用于空间）的转换效率已超过20%；对于常规的地面用商业单晶硅太阳能电池，其转换效率一般可达到13%~16%，期望在不久的将来能接近17%~20%。也正是由于单晶硅是间接带隙半导体，因而具有很低的光吸收系数（约102cm-1），其太阳能电池就必须有一定的材料厚度以便吸收足够的太阳光，加之单晶硅材料提纯和加工的成本比较高，使得硅太阳能电池的成本相对较高。虽然研究界和产业界的共同努力和产业规模不断扩大，硅太阳能电池的成本持续降低，但就目前而言，其电力成本依然是常成规能源的2倍以上，仍然在阻碍太阳能光电技术的更广泛应用[1]。20世纪70年代铸造多晶硅得到发明与应用，它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳能电池材料。在实验室中，铸造多晶硅太阳能电池的光电转换效率达到19.8%；在商业生产中，其太阳能转换效率一般为13%~16%。然而，无论是单晶硅还是铸造多晶硅，在硅片加工过程中，仅仅由于硅片的切割，硅材料的损耗就达到50%，加上晶体硅光伏电池的硅材料占光伏电池成本的45%以上，其技术虽已发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主要地位，使其生产成本太高[1]。因此，要真正达到大规模利用光伏电池的目标，降低材料的成本就成为降低光伏电池成本的主要手段，。以至于使得人们不惜以牺牲电池的转换效率为代价来开发薄膜光伏电池。非晶硅是20世纪70年代发展起来的太阳能电池材料，它通常是在玻璃上沉积一层很薄的非晶硅，制备工艺简单、带格式的:字体:TimesNewRoman格式的带格式的:字体:TimesNewRoman格式的带格式的:字体:TimesNewRoman格式的2湖北大学本科毕业论文（设计）成本低且可大面积连续生产，而且可方便设计成各种结构，易与电子器件集成，因此在计算器、手表、玩具等小功耗器件中得到了广泛应用。但是非晶硅太阳能电池的转换效率相对较低，在实验室中稳定的最高转换效率只有13%左右，在实际生产线上，非晶硅太阳能电池的转换效率也不超过10%；而且，非晶硅太阳能电池的转