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铜铟镓硒薄膜的氧化物墨水法制备与性能研究

2020-12-07阅读(558)

铜铟镓硒薄膜的氧化物墨水法制备与性能研究

论文摘要

薄膜太阳能电池在国民经济和国防科技的各个领域具有广泛地应用。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池具有成本低、光电转换效率高和性能稳定等优点,成为国内外研究的热点。而在CIGS薄膜太阳能电池中,CIGS吸收层是关系到电池转换效率的关键。本论文主要对非真空先驱体墨水法制备CIGS吸收层进行了详细地研究和探讨,并对吸收层的性能进行了测试。论文首先以铜、铟和镓的硝酸盐为原料,经共沉淀和高温煅烧工艺制备出纳米金属氧化物。综合考虑粒径与团聚等因素,较优沉淀条件为:体系pH值控制为8.0,沉淀温度为50℃;较优煅烧条件为:煅烧温度550℃,恒温时间为10h。所制备金属氧化物的粒径约80nm,比表面积为48.8m2/g,其组成主要为氧化铜、氧化铟和氧化镓的混合物,其中Cu/（In+Ga）比为1.03,Ga/（In+Ga）比为0.16。将纳米金属氧化物、分散剂Orotan1124和水按一定的质量配比混合后经高能球磨制备出氧化物墨水,然后采用自流平方式在不锈钢基底上涂覆成膜。结果表明,造成氧化物墨水不稳定的主要因素是颗粒间的团聚。提高墨水中颗粒分散稳定性,一是减小颗粒的粒径大小,二是增强颗粒之间的静电作用力。氧化物薄膜经退火处理后,在氢气气氛中经高温还原处理得到铜铟镓（CIG）合金薄膜。结果表明,还原温度是影响合金薄膜组成和形貌的关键因素:当还原温度高于550℃时,合金薄膜中形成大量球状颗粒。较优的还原条件为:还原温度为500℃,还原时间为60min。铜铟镓合金薄膜主要由Cu11In9、Cu9In4、In2O3、Cu等组成,其Cu/（In+Ga）比为0.98,Ga/（In+Ga）比为0.16。将铜铟镓合金置于真空条件下采用固体源后硒化法进行硒化处理制备CIGS吸收层。较优的硒化条件为:250℃恒温30 min,550℃恒温40 min。XRD分析及元素分析表明,产物为黄铜矿结构的CuIn1-xGaxSe2多晶薄膜。薄膜中Cu/（In+Ga）比为0.92,Ga/（In+Ga）比为0.14,Se/（Cu+In+Ga）比为0.92。霍尔效应测试表明CIGS薄膜为p型半导体,其载流子浓度为4.5×1014/cm3,迁移率为217cm2/V·s,电阻率为63Ω·cm;光谱测试表明CIGS薄膜的带隙宽度高于1.1eV,可用于太阳能电池的制备。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 太阳能电池简介
  • 1.2 太阳能电池的分类
  • 1.2.1 硅系太阳能电池
  • 1.2.2 化合物半导体太阳能电池
  • 1.2.3 有机太阳能电池
  • 1.3 CIGS 薄膜太阳能电池与CIGS 层制备技术
  • 1.3.1 CIGS 薄膜太阳能电池发展现状
  • 1.3.2 CIGS 薄膜太阳能电池参数与性能
  • 1.3.3 CIGS 层的制备技术
  • 1.4 论文研究目的与内容
  • 第二章 实验方法与过程
  • 2.1 实验设计方案
  • 2.2 实验药品与仪器
  • 2.3 实验过程
  • 2.3.1 共沉淀法制备纳米铜铟镓氧化物
  • 2.3.2 纳米铜铟镓氧化物墨水的制备与成膜
  • 2.3.3 铜铟镓氧化物薄膜还原制备铜铟镓合金薄膜
  • 2.3.4 固态源硒化法制备铜铟镓硒薄膜
  • 2.4 分析测试内容
  • 2.4.1 表面形貌分析
  • 2.4.2 组成元素分析
  • 2.4.3 组成物相分析
  • 2.4.4 氧化物墨水粒径与表面电位分析
  • 2.4.5 质量比表面积分析
  • 2.4.6 热重变化与量热分析
  • 2.4.7 电学性能参数测试
  • 2.4.8 光谱吸收测试
  • 第三章 铜铟镓纳米金属氧化物制备与墨水配制研究
  • 3.1 铜铟镓纳米氧化物制备研究
  • 3.1.1 共沉淀工艺研究
  • 3.1.2 高温煅烧工艺研究
  • 3.1.3 小结
  • 3.2 纳米氧化物墨水分散性能研究
  • 3.2.1 氧化物墨水颗粒粒径研究
  • 3.2.2 氧化物墨水颗粒ζ电位研究
  • 3.2.3 小结
  • 第四章 CIGS 薄膜的制备及其性能测试
  • 4.1 铜铟镓合金薄膜制备工艺研究
  • 4.1.1 氧化物还原过程的理论计算与分析
  • 4.1.2 还原温度对合金薄膜的影响
  • 4.1.3 还原时间对合金薄膜的影响
  • 4.1.4 小结
  • 4.2 铜铟镓薄膜硒化工艺研究
  • 4.2.1 铜铟镓薄膜硒化反应的理论分析
  • 4.2.2 硒化温度对CIGS 薄膜的影响
  • 4.2.3 硒化时间对CIGS 薄膜的影响
  • 4.2.4 硒化方式对CIGS 薄膜的影响
  • 4.2.5 小结
  • 4.3 CIGS 薄膜性能测试
  • 4.3.1 CIGS 薄膜的电学性能测试
  • 4.3.2 CIGS 薄膜的光学性能测试
  • 4.3.3 小结
  • 第五章 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

    • 相关论文文献

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