喷雾热解法制备FTO-G复合膜及其微结构和光电性能研究

发布时间：2020-04-17 20:48

【摘要】：本文采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对石墨烯(graphene,G)进行表面修饰,以单丁基三氯化锡(MBTC)、氟化铵(NH_4F)作为锡源和氟源,采用喷雾热解法在玻璃基底上制备了FTO-G复合薄膜,利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、拉曼光谱仪、紫外光电子能谱、紫外-可见分光光度计、四探针电阻仪和雾度仪分析了其结构、形貌和光电性能,主要研究了石墨烯的分散方法、复合薄膜微观应变、微结构和光电性能随石墨烯浓度、基底温度和膜厚的变化规律,并对复合薄膜表面花状团簇结构的形成机理、复合薄膜内石墨烯和SnO_2颗粒接触特性进行了分析。主要研究结果如下:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对石墨烯具有较好的分散作用,且对复合膜性能的影响较小,对石墨烯进行表面改性且不影响复合膜光电性能和结构时,PVP的加入量应为PVP/MBTC≤1 wt.%。FTO-G复合薄膜表面呈现金字塔颗粒和花状微纳团簇结构形成的双织构形貌。石墨烯的褶皱可以作为SnO_2颗粒生长的“粗糙基底”,使FTO薄膜颗粒能够生长形成花状团簇结构,并展现出基底石墨烯的褶皱特征和痕迹。花状团簇结构的尺寸与石墨烯尺寸和膜厚有关。这种形貌有利于提高雾度,在530℃下复合薄膜获得最高的雾度值,为36.08%。接触特性研究表明,石墨烯和FTO薄膜晶粒之间存在肖特基接触。FTO薄膜与FTO-2.5G薄膜的功函数仅仅相差0.05 eV,复合薄膜内石墨烯和FTO薄膜颗粒接触良好。FTO-G复合薄膜内的微观应变因引入石墨烯而发生改变。在470-530℃时,FTO-G复合薄膜内表现为张应变,随着基底温度的升高,张应变先增大后减小。随着膜厚的增加,复合薄膜内的有效应变由压应变转变为张应变。
【图文】：

示意图,太阳能电池,单结,太阳电池

而氟掺二氧化锡薄膜（F:SnO2, FTO）作为最常用的薄膜太阳能电池前电极，受研究者们关注，知名的公司如日本的旭硝子、英国的皮尔金顿等可以进行在线面积镀制 FTO 膜，薄膜质量领先世界，但是 FTO 薄膜光电性能尚不如 ITO（锡掺氧化铟）薄膜，仍需进一步改进。如何改一步改进 FTO 薄膜的光电性能，使之更地应用于太阳能电池，对于新能源发展有重要意义。1.2 薄膜太阳能电池1.2.1 薄膜太阳能电池的工作原理单结硅薄膜太阳能电池结构简单，以透明玻璃作衬底，在玻璃上沉积绒面的明导电氧化物（TCO）薄膜，如 FTO 薄膜，然后再分别沉积 p 型层、吸收层和层构成 p-i-n 结，背电极常常采用 AZO 薄膜和金属（银或铝）双层结构，，如下图 1-所示。

晶体结构,正交系

第 1 章绪论.3.2 FTO 薄膜的研究现状SnO2的晶体结构有5种：金红石型（Tetragonal, P42/mnm）、CaCl2型（Orthorhombic,nnm）、黄铁矿型（Cubic, Pa-3）、正交系 ZrO2型（Orthorhombic, Pbca）、正交系bCl2型（Orthorhombic, Pnam）[18]，其对应晶体结构如图 1-2 所示。金红石型 SnO2直接带隙半导体，其晶格参数 a0=b0=4.737 ，c0=3.186 ，在 SnO2晶胞中（如图2），Sn 和 O 原子构成了正八面体结构，Sn 原子位于八面体中心，O 原子则处于个顶点处，Sn 原子的配位数为 6，O 原子的配位数为 3。实际上完全理想不导电的nO2薄膜不存在，实验获得的本征 SnO2薄膜因为膜内部分 Sn 和 O 原子受到杂质离掺杂、缺氧等因素影响，出现间隙原子或者形成氧空位[19]，产生了晶体结构缺陷， SnO2内具有一定数量的载流子，可以导电。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4;TB383.2

【参考文献】