硒化铜铋薄膜和硒化锑铋薄膜的电沉积制备及性能表征

论文摘要

探索新型矿源丰富、环境友好的廉价薄膜太阳电池材料是当前太阳电池研究的热点。在各种薄膜材料制备方法中,电沉积法具有低成本、非真空和高效率等优点,适合于薄膜太阳电池的制备。基于薄膜太阳电池材料的要求和制备方法的分析,本论文选择硒化铜铋和硒化锑铋这两种元素丰度高、低成本的金属硒化物薄膜为研究对象,采用电沉积法制备,并对薄膜进行表征,主要研究结论如下：1.首次采用电沉积法从酸性水溶液中制备出了硒化铜铋薄膜。采用循环伏安法研究了薄膜沉积的电化学行为,发现铜和铋均是以欠电位沉积方式进入薄膜。研究了主要电沉积工艺参数对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响,发现沉积电位和pH值对薄膜成分和形貌影响显著,而沉积温度影响较小。在沉积电位-0.22Vvs. SCE、温度25。C和pH值1.5时可制备表面平整致密、化学计量组成为Cu1.09Bi1.42Se3且主晶相为Bi2Se3的薄膜,其光吸收系数超过5×104cm-1,带隙宽度为1.504±0.01eV。多种电学表征结果表明,薄膜导电类型为p型。其中,霍尔测试测得薄膜的载流子浓度、载流子迁移率和电阻率分别为2.5×1018～5.6x1019cm-3、0.16～1.40cm2·V-1·s-1和70.2～175.8Ω.cm-1；光电化学测试表明薄膜具有良好的光电压响应；Mott-Schottky测试测得薄膜平带电位为-0.24±0.03V vs. SCE,载流子浓度为8.9×1019cm-3,与霍尔测试结果一致。2.采用电沉积法从酸性水溶液中制备了硒化锑铋薄膜。采用循环伏安法研究了薄膜沉积的电化学行为,发现铋是以欠电位沉积方式进入薄膜,而锑未观察到该行为；锑、铋和硒可在-0.60～-0.30V vs. SCE范围实现共沉积。研究了主要电沉积工艺参数对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响,发现沉积电位和pH值对薄膜成分和形貌影响显著,而沉积温度影响甚微。在沉积电位-0.40V vs. SCE、湿度25℃和pH值1.5时可制备表面形貌较致密,化学计量组成为Sb1.03Bi0.97Se3的薄膜；薄膜经热处理后成分变化不大,但结晶质量得到极大改善,且为呈正交Pbnm（62）结构的Bi掺杂Sb2Se3相；其光吸收系数高达105cm-1,带隙宽度为1.12±0.01eV。光电化学和Mott-Schottky测试表明,薄膜导电类型为n型,载流子浓度为1.1×1019cm-3,平带电位为-0.40±0.03V vs. SCE,并具有显著的光电流和光电压响应。另外,研究发现锑铋原子比（Sb/Bi）变化对硒化锑铋薄膜的晶型结构和光学性质影响显著：随着Sb/Bi比的增大,薄膜可由菱形R-3m（166）结构的Sb掺杂Bi2Se3相向正交Pbnm（62）结构的Bi掺杂Sb2Se3相转变；其中后者具有较大的光吸收系数（～105cm-1）和带隙宽度（0.90～1.12eV）。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 硒及金属硒化物概述
• 1.2 金属硒化物薄膜的制备方法
• 1.2.1 蒸发法
• 1.2.2 化学气相沉积法
• 1.2.3 溅射法
• 1.2.4 分子束外延
• 1.2.5 喷雾热解法
• 1.2.6 溶胶-凝胶法
• 1.2.7 化学水浴法
• 1.2.8 水热/溶剂热法
• 1.2.9 涂覆法
• 1.2.10 电沉积法
• 1.3 金属硒化物薄膜的电沉积制备研究进展
• 1.3.1 ⅢA主族金属硒化物薄膜
• 1.3.2 ⅣA主族金属硒化物薄膜
• 1.3.3 ⅤA主族金属硒化物薄膜
• 1.3.4 ⅠB副族金属硒化物薄膜
• 1.3.5 ⅡB副族金属硒化物薄膜
• 1.3.6 ⅥB副族金属硒化物薄膜
• 1.3.7 ⅦB副族金属硒化物薄膜
• 1.3.8 ⅦB族金属硒化物薄膜
• 1.3.9 多元混合族金属硒化物薄膜
• 1.4 选题目标与研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 溶液配制
• 2.3.2 基底清洗
• 2.3.3 循环伏安测试与电沉积制备
• 2.4 薄膜表征
• 2.4.1 扫描电镜及能谱仪
• 2.4.2 X射线衍射
• 2.4.3 拉曼分析
• 2.4.4 紫外-可见/紫外-可见-近红外分光光度计
• 2.4.5 光电化学测试
• 2.4.6 Mott-Schottky测试
• 2.4.7 霍尔测试
• 2.4.8 台阶仪
• 第三章 硒化铜铋薄膜的电沉积制备及性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 Cu-Bi-Se溶液体系的电化学行为研究
• 3.3 硒化铜铋薄膜的电沉积制备
• 3.3.1 沉积电位对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响
• 3.3.2 沉积温度对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响
• 3.3.3 溶液pH值对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响
• 3.3.4 沉积时间对硒化铜铋薄膜厚度的影响
• 3.3.5 硒化铜铋薄膜的结构表征
• 3.4 硒化铜铋薄膜的光学和电学性质
• 3.5 本章小结
• 第四章 硒化锑铋薄膜的电沉积制备及性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 Sb-Bi-Se溶液体系的电化学行为研究
• 4.3 硒化锑铋薄膜的电沉积制备
• 4.3.1 沉积电位对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响
• 4.3.2 溶液温度对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响
• 4.3.3 溶液pH值对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响
• 4.3.4 硒化锑铋薄膜的退火处理研究
• 4.4 硒化锑铋薄膜的光学与电学性质
• 4.5 锑铋原子比（Sb/Bi）对硒化锑铋薄膜结构和光学性质的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录