离子液体电沉积制备单质硅的研究

论文摘要

离子液体具有良好热稳定性、不挥发、不燃烧、离子导电性好、电化学窗口宽等优点,成为一种新型的电解液。本文选用离子液体1-丁基-3甲基咪唑三氟甲磺酸盐作为溶剂,四氯化硅作为硅源,添加碳酸丙烯酯配制成电解液[Bmim]OTf-SiCl4-PC。钛作阴极,高纯石墨作阳极进行硅的电沉积实验。通过差热实验研究电解液[Bmim]OTf-SiCl4-PC的热稳定性。结果表明:室温～100℃范围内,电解液具有良好的稳定性。采用循环扫描伏安和计时电流方法研究电解液体系的电化学性质。结果表明:离子液体[Bmim]OTf的电化学窗口约为4.5V;在[Bmim]OTf-SiCl4-PC体系中,硅在钛电极上的还原电位为-1.55 V（vs.Pt）且为不可逆还原过程。硅离子在钛电极上的成核过程是瞬时成核起主导作用。利用热力学数据计算四氯化硅在各个温度下的理论分解电压。40℃时四氯化硅的理论分解电压为1.447V,实验得到反电动势为1.92V。研究了硅的电沉积过程,得到电沉积单质硅的最优工艺条件,对沉积产物进行SEM及拉曼检测。结果表明:优化的工艺条件为t=40℃,i=22 A·m-2,CPC=4.2 mol·L-1,在此条件下沉积3h,得到厚度为3μm的非晶硅。采用HF/6-311+G*和B3YLP/6-311+G*计算方法,对真空状态下的SiCl4进行结构优化,并模拟其振动光谱。结果表明:计算得到的模拟数值与实验数值吻合较好。将计算数值与电解液[Bmim]OTf-SiCl4-PC的红外和拉曼实验数值对比,证明电解液中的存在SiCl4和SiCl5-。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 硅太阳能电池
• 1.1.1 单晶硅太阳能电池
• 1.1.2 多晶硅太阳能电池
• 1.1.3 非晶硅太阳能电池
• 1.2 硅的电沉积制备方法
• 1.2.1 熔盐电沉积法
• 1.2.2 有机溶剂电沉积法
• 1.3 离子液体简介
• 1.3.1 室温离子液体的定义
• 1.3.2 室温离子液体的分类
• 1.3.3 离子液体在电化学上的应用
• 1.4 分子振动光谱研究方法
• 1.4.1 红外光谱
• 1.4.2 拉曼光谱理论
• 1.4.3 密度泛函理论
• 1.5 选题意义及研究内容
• 第2章 电解液的配制
• 2.1 实验试剂、设备及装置
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验设备及装置
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 离子液体的预处理
• 2.2.2 电解液的配制
• 2.2.3 电解液预电解
• 2.2.4 电极处理
• 2.3 结果分析与讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 电解液体系的电化学研究
• 3.1 实验试剂、设备及装置
• 3.1.1 实验试剂
• 3.1.2 实验设备及装置
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 循环伏安法
• 3.2.2 计时电流法
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 循环伏安实验
• 3.3.2 计时电流实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 单质硅电沉积工艺条件的研究
• 4.1 实验试剂、设备及装置
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验设备及装置
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 不同电极的硅沉积实验研究
• 4的理论分解电压'>4.3.2 根据热力学数据计算SiCl₄的理论分解电压
• 4.3.3 电沉积硅的实验
• 4.3.4 正交试验
• 4.3.5 沉积物检测
• 4.4 本章小结
• 第5章 分子振动光谱的研究
• 5.1 实验试剂、设备及装置
• 5.1.1 实验试剂
• 5.1.2 实验设备及装置
• 5.2 实验方法
• 5.3 结果分析与讨论
• 5.3.1 振动光谱测试
• 5.3.2 振动光谱计算
• 5^-振动光谱的计算'>5.3.3 SiCl₅^-振动光谱的计算
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢