宽带p型CuSCN薄膜的电沉积、结构与性能的研究

论文题目: 宽带p型CuSCN薄膜的电沉积、结构与性能的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 武卫兵

导师: 靳正国

关键词: 薄膜,电化学沉积,水基溶液,电沉积机理

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 能源与环境问题日益突出,纳米晶太阳能电池(NPC)以其工艺简单,成本低廉以及可实现规模化生产等优势成为绿色能源领域的研究热点。本文综述了NPC电池及其空穴传输材料的发展,研究了NPC电池固体空穴传输材料CuSCN薄膜的电沉积制备及其在TiO2多孔薄膜中的填充过程,并对CuSCN电沉积和在多孔中填充等相关机理进行了讨论。本文采用络合法制备出稳定的CuSCN的水基电沉积溶液;电沉积制备出致密度高,透光性好及具有p型电导的CuSCN半导体薄膜;用恒电流或恒电位等电化学方法讨论了CuSCN薄膜的沉积机理;采用了XRD、UV-VIS、XPS、SEM表征了薄膜的相组成、结晶形貌、透光率、带隙值和化学组成;采用微电容-电位法表征了CuSCN薄膜的平带电位、受主浓度等半导体性能。研究了含有Cu2+和SCN-的水溶液不稳定的原因,采用EDTA作络合剂掩蔽SCN-,首次制备出沉积CuSCN的稳定水基电沉积溶液。该溶液在室温至80℃的温度范围内均表现出良好的稳定性。在上述水基沉积溶液中首次提出了沉积CuSCN薄膜的表面态热活化机理并建立了CuSCN/电沉积溶液的界面能级模型;推导出沉积p型CuSCN半导体薄膜的阴极电流关系式,并通过该关系式的Arrhenius图得到了在0.1MCuIIEDTA和0.025MKSCN溶液中沉积CuSCN薄膜的活化能大约为0.5eV。研究表明,微分电容-电位法测试条件对CuSCN薄膜半导体性能的测试结果有重要影响。通过在电解质溶液中加入半导体薄膜的本底离子SCN-,可以使CuSCN带边“钉扎”在表面,平带电位不再随测试频率变化;降低溶液的pH值可以扩大测试过程中电位的扫描范围,电位扫描速率大于10mV/s时可减少阴离子吸附形成的表面态的影响。研究了各种工艺参数,如SCN-浓度、pH值、温度、沉积电位等对沉积过程和薄膜结构与性能的影响。结果表明,这些工艺参数对电沉积溶液的平衡电位、沉积速率、晶粒尺寸和致密度、晶粒的生长方向、受主浓度及平带电位等有重要影响。最后,本文研究了CuSCN在ITO和TiO2上的成核和生长过程,并由此提出了CuSCN在TiO2多孔薄膜中填充时的能级结构模型;沉积的薄膜良好的整流特征说明n型TiO2和p型CuSCN之间形成很好的界面结合。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 太阳能电池介绍

1.2.1 有机太阳能电池

1.2.2 无机太阳能电池

1.2.3 纳米晶光伏太阳能电池

1.3 薄膜材料及其制备

1.4 CuSCN的晶体结构、性能、应用及其制备

1.4.1 CuSCN半导体的晶体结构和性能

1.4.2 CuSCN的应用

1.4.3 CuSCN的制备工艺

1.5 CuSCN 在NPC电池应用中的相关理论研究

1.5.1 电荷分离及复合动力学

1.5.2 表面态理论

1.6 电化学沉积简介

1.7 课题的提出

第二章 实验与研究方法

2.1 实验所用原料与设备

2.2 方案设计及实验过程

2.2.1 方案设计

2.2.2 实验过程

2.3 测试方法

第三章 电解质溶液的制备及电化学特性

3.1 电沉积水溶液的稳定性

3.2 稳定电解液的制备

3.3 电解液的电化学特征

3.4 沉积过程中的电流和电压特征

3.5 沉积的CuSCN薄膜的性质

本章小结

第四章 CuSCN 薄膜沉积机理

4.1 半导体/电解质溶液的界面能级结构

4.2 CuSCN 表面态热活化沉积机理

4.2.1 CuSCN/电沉积溶液的界面能级

4.2.2 CuSCN沉积过程中的活化能

4.2.3 CuSCN 沉积过程中的表面态

4.3 CuSCN 成核和生长过程

本章小结

第五章 CuSCN 薄膜平带电势和EIS 特征

5.1 界面双电层电容和Mott-Sckotty方程

5.1.1 半导体电化学等效电路

5.1.2 Mott-Schottky方程

5.1.3 电解质溶液的选择

5.1.4 测量频率的确定

5.2 CuSCN电化学阻抗谱(EIS)特征

本章小节

第六章 CuSCN 薄膜沉积的影响因素

6.1 SCN-浓度对CuSCN 薄膜结构与组成的影响

6.1.1 对薄膜形貌的影响

6.1.2 对CuSCN 薄膜组成的影响

6.2 pH 值对CuSCN 成膜的影响

6.2.1 对薄膜形貌的影响

6.2.2 对薄膜组成的影响

6.3 沉积电位对成膜的影响

6.3.1 沉积电位对薄膜形貌的影响

6.3.2 对CuSCN 薄膜晶体结构的影响

6.3.3 对CuSCN 薄膜性能的影响

6.4 沉积温度对CuSCN 薄膜的影响

6.4.1 对形貌的影响

6.4.2 对薄膜组成和性能的影响

本章小结

第七章 CuSCN 薄膜在多孔基底上的沉积

7.1 ITO玻璃及多孔TiO_2 薄膜的电性能

7.2 电沉积溶液在ITO和TiO_2 多孔层上的电化学特征

7.3 CuSCN在多孔TiO_2 薄膜中填充机理

本章小结

第八章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

发布时间: 2006-05-24

参考文献

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