近中性pH溶液双电位阶跃法电沉积CuInSe2薄膜

论文摘要

随着世界能源问题的日趋严重,作为太阳能电池吸收层的CuInSe2薄膜越来越受到人们的重视,本文研究了温和化学条件下CuInSe2薄膜的电沉积制备,实现了可在ZnO等耐酸碱性差的基底上沉积CuInSe2薄膜的目的。课题在调查近中性pH温和条件下电沉积CuInSe2薄膜体系的影响因素的基础上,首次采用双电位阶跃电沉积（DPSED）方法,并结合络合剂的辅助,克服了三元组分沉积电位不匹配的问题,在温和条件下电沉积制备出了接近化学剂量的黄铜矿CuInSe2薄膜。首先在ITO玻璃基底上,利用线性伏安法研究了不同络合剂、不同温度以及不同浓度对单一CuCl2·2H2O、InCl3·4H2O、SeO2水溶液体系沉积电位的影响。实验得出,在温和条件下通过上述措施,难以实现CuInSe2薄膜的常规电沉积;柠檬酸钠适合作温和条件下电沉积溶液的络合剂;在-800mV与-1400mV两个沉积电位下,沉积溶液中的三元素Cu、In、Se倾向于两两共沉积,由此提出了DPSED方法。在DPSED沉积研究中,沉积溶液pH值为6-7的近中性条件,以CuCl2·2H2O、InCl3·4H2O、SeO2为前驱体,以柠檬酸钠为络合剂,通过加入过量的柠檬酸钠方式,获得了稳定三元共混的电沉积溶液。考察了DPSED沉积体系、溶液Cu/In比以及阶跃参数对薄膜沉积结构、化学计量与光学性能的影响。通过XRD、XPS、SEM、UV-Vis表征了薄膜。实验表明,双阶跃电位点分别为-800mV与-1400mV,持续时间分别为30s与60s,循环次数为5次。使用柠檬酸钠为15mM,Cu:In:Se=5:3:5时,得到了接近化学剂量比的无定形沉积膜,随后在氩气氛保护热处理,400℃保温1小时,无定形沉积膜进一步结晶,获得结晶良好,光学性能优异的CuInSe2薄膜。Cu/In比变化显著影响薄膜形貌及半导体性质,阶跃参数的变化也会影响薄膜形貌。DPSED沉积过程分析表明,在阶跃沉积样品的XRD衍射谱上出现了CuIn合金相,这可能为生成近化学剂量比的CuInSe2薄膜提供了活性的两元金属成分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 全球性的能源问题
• 1.1.2 世界各国新能源利用状况
• 1.1.3 太阳能优势与展望
• 1.2 太阳能电池工作原理
• 1.2.1 太阳能电池的半导体材料基础
• 1.2.2 太阳能电池发电原理
• 1.2.3 评价太阳能电池的重要参数
• 1.3 太阳能电池的分类与发展趋势
• 1.3.1 太阳能电池的材料要求
• 1.3.2 太阳能电池分类
• 1.3.3 太阳能电池的发展趋势
• 1.4 薄膜的制备方法
• 1.4.1 物理气相法
• 1.4.2 物理液相法
• 1.4.3 化学气相法
• 1.4.4 化学液相法
• 2薄膜材料'>1.5 CuInSe₂薄膜材料
• 2的晶体结构'>1.5.1 CuInSe₂的晶体结构
• 2材料的电学性质'>1.5.2 CuInSe₂材料的电学性质
• 2材料的光学性质'>1.5.3 CuInSe₂材料的光学性质
• 2薄膜的制备方法'>1.5.4 CuInSe₂薄膜的制备方法
• 2薄膜的应用'>1.5.5 CuInSe₂薄膜的应用
• 1.6 课题的提出与研究内容
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 实验所用原料与设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验过程与方案
• 2.2.1 实验过程
• 2.2.2 实验方案
• 2.3 薄膜的性能测试表征
• 2.3.1 测试仪器
• 2.3.2 分析方法
• 2薄膜近中性电解液电沉积的研究'>第三章 CuInSe₂薄膜近中性电解液电沉积的研究
• 2三元电沉积问题'>3.1 CuInSe₂三元电沉积问题
• 3.2 不同络合电解液及其络合反应
• 3.2.1 沉积溶液中电解质的水解反应
• 3.2.2 不同络合剂的络合机理
• 3.3 不同络合剂对沉积电位的影响
• 2+溶液的单扫分析'>3.3.1 Cu²⁺溶液的单扫分析
• 3+溶液的单扫分析'>3.3.2 In³⁺溶液的单扫分析
• 2 溶液的单扫分析'>3.3.3 SeO₂溶液的单扫分析
• 3.4 温度对沉积电位的影响
• 2+溶液的单扫分析'>3.4.1 Cu²⁺溶液的单扫分析
• 3+溶液的单扫分析'>3.4.2 In³⁺溶液的单扫分析
• 2溶液的单扫分析'>3.4.3 SeO₂溶液的单扫分析
• 3.5 浓度对沉积电位的影响
• 3.6 双电位阶跃电沉积的提出
• 3.7 本章小结
• 2薄膜的研究'>第四章 DPSED 电沉工艺CuInSe₂薄膜的研究
• 4.1 DPSED 技术原理
• 4.1.1 DPSED 技术简介
• 4.1.2 DPSED 过程电化学反应
• 4.2 DPSED 工艺过程
• 4.2.1 溶液的配制与实验工艺
• 4.2.2 典型的双电位阶跃沉积曲线
• 2薄膜的表征'>4.3 DPSED-CuInSe₂薄膜的表征
• 4.3.1 XRD 分析
• 4.3.2 XPS 与EDS 分析
• 4.3.3 SEM 形貌分析
• 2薄膜的DPSED 法成膜机理'>4.3.4 CuInSe₂薄膜的DPSED 法成膜机理
• 2 薄膜的光学性质'>4.3.5 CuInSe₂薄膜的光学性质
• 2薄膜的优化改性'>4.4 DPSED 法沉积CuInSe₂薄膜的优化改性
• 4.4.1 阶跃参数的影响
• 4.4.2 不同 Cu/In 对薄膜性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢