CuInSe2与CdS薄膜的制备及其性能研究

论文摘要

在全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源资源短缺并造成环境污染的形势下,太阳能具有取之不尽、用之不竭并且属于清洁能源等特点,成为解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。在众多光伏材料中,铜铟硒（CuInSe2,CIS）由于具有能够调整光学能隙、吸收率高（～6×105/cm）、抗辐射能力强和长期的稳定性等特点,被认为最有发展前景的薄膜太阳能电池之一。CIS的制备方法多,但电沉积方法因为其设备投资少,可大面积、连续、低温沉积等优点,成为研究热点。本文从CuInSe2/CdS薄膜太阳能电池的基本结构出发来制备和研究其各薄膜材料的性能。本论文采用电沉积方法制备Cu/In预置层薄膜材料,然后通过真空退火得到Cu11In9合金相,再进行高温真空硒化而制备得到CuInSe2光吸收层。同时采用化学水浴法（CBD）制备硫化镉（CdS）缓冲层材料。通过对制备出的各层薄膜材料进行测试表征,研究了其结构、形貌、成分和光电等方面的特性。研究的主要内容如下:第一,通过运用电化学工作站测试分析了硫酸盐体系电沉积铟的工艺参数及电沉积铟电极过程动力学及其成核机理。得出其沉积电位、pH值和温度,及铟电沉积经历了成核过程,电结晶的成核过程属于三维瞬时成核方式。第二,电沉积制备了光亮而且结晶致密的Cu/In多层薄膜,并研究了Cu/In多层薄膜在不同退火温度下微观结构。结果表明:在180℃退火得到了Cu11In9为主的相结构,Cu/In原子比约等于1,组织结构和原子比符合理想的前驱体的要求,后硒化得到了较单一的黄铜矿相结构。第三,化学水浴法（CBD）制备硫化镉CdS薄膜过程中,研究了制备工艺、退火对薄膜性能的影响,并用分形理论及其该理论表征薄膜微观结构方面的研究。得出了CBD镀液的组成及工艺条件,及退火对薄膜微观结构和性能的影响。总之,本文制备了CuInSe2/CdS薄膜,并研究了薄膜的相关性能,为实验室太阳能电池器件的制备做了前序基础准备工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 太阳能电池
• 1.1.1 太阳能电池产业发展概况和趋势
• 1.1.2 硅基太阳能电池
• 1.1.3 薄膜太阳能电池
• 1.1.4 太阳能电池的工作原理
• 1.2 CIS薄膜太阳能电池的研究进展
• 1.2.1 国内/外的研究进展
• 2材料的基本性质'>1.2.2 CuInSe₂材料的基本性质
• 2薄膜材料的制备方法'>1.2.3 CuInSe₂薄膜材料的制备方法
• 1.3 目前研究存在的问题
• 1.3.1 材料内部结构的影响
• 1.3.2 衬底温度对薄膜结构的影响
• 1.3.3 掺镓的困难
• 1.4 论文的研究内容与研究目的
• 1.4.1 论文的研究内容
• 1.4.2 论文的研究目的
• 第2章 实验设计及其测试分析
• 2.1 电沉积方法制备CIS薄膜
• 2.1.1 电沉积制备CIS薄膜过程
• 2.1.2 电沉积的原理
• 2.1.3 实验仪器和药品
• 2.1.4 电沉积过程
• 2.1.5 硒化热处理
• 2.2 CBD法制备CdS样品
• 2.2.1 CdS薄膜的应用
• 2.2.2 CBD法沉积CdS薄膜的原理
• 2.2.3 衬底材料
• 2.2.4 成膜溶液
• 2.2.5 成膜反应
• 2.2.6 CdS薄膜沉积原理
• 2.2.7 CdS成膜反应条件的优化
• 2.2.8 CdS薄膜的热处理
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 电化学分析
• 2.3.2 X射线衍射（XRD）分析
• 2.3.3 扫描电镜（SEM）分析
• 2.3.4 能谱仪（EDS）分析
• 2.3.5 薄膜的紫外-可见光谱测试
• 2.3.6 半导体导电类型判断测试装置
• 2.3.7 原子力电镜（AFM）分析
• 第3章 CIS薄膜的沉积工艺及其性能研究
• 3.1 电沉积铟电极过程动力学研究
• 3.1.1 循环伏安曲线
• 3.1.2 电沉积阴极极化曲线
• 3.2 电结晶成核机理理论的研究
• 3.3 Cu/In多层薄膜的制备
• 3.3.1 金属预置层的制备
• 3.3.2 金属预置层的物相变化
• 3.3.3 表面形貌的变化
• 3.3.4 EDS分析
• 3.3.5 电学特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 硫化镉薄膜的沉积工艺及其性能研究
• 4.1 沉积工艺对实验结果的影响
• 4.1.1 反应物质浓度对CdS薄膜的影响
• 4.1.2 沉积时间对薄膜元素比例的影响
• 4.1.3 温度对制备CdS的影响
• 4.1.4 CdS薄膜的性能分析
• 4.1.5 CdS薄膜的SEM电镜分析
• 4.1.6 CdS薄膜的XRD分析
• 4.1.7 光学特性分析
• 4.2 表面粗糙度与分形的关系
• 4.2.1 分形
• 4.2.2 AFM分析
• 4.2.3 分形维的计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文