Ⅴ-Ⅵ族硫化物半导体薄膜的溶液法制备及其光电性能研究

发布时间：2020-11-01 02:10

　　 在诸多可在生能源中,光伏发电被视作一种取之不尽用之不竭的绿色能源,在近几十年得到了快速发展。但是相较与传统发电方式,太阳能光伏发电的价格还是比较高的。这主要是由于目前市场上主流产品仍是以硅基太阳能电池为主。而硅材料的提纯费用是非常昂贵的,从而使得太阳能电池的成本居高不下。为了能够降低光伏发电的成本,许多新材料相继被开发出来,如二元的碲化镉、四元的铜铟镓硒、有机-无机杂化钙钛矿薄膜太阳能电池等。但是这些材料要么含有有毒元素,要么不稳定,使得这些电池在未来很难进行大规模的生产应用。因而继续探索新材料,对于降低光伏发电成本是很有必要的。近年来,二元的硫化锑被视作一种很有发展前景的太阳能电池材料。这种材料不仅稳定,而且不含有有毒以及稀有元素。因而如果能够提高硫化锑太阳能电池的效率,这将在很大程度上降低光伏发电的成本。虽然硫化锑太阳能电池近年来得到了快速发展,但是相对于其它太阳能电池,其效率还是很低的。为了研究硫化锑太阳能电池,有效提高硫化锑太阳能电池的效率。本论文以溶液法制备硫化锑太阳能电池为切入点,深入研究了制约硫化锑太阳能电池效率提升的因素以及相应的解决方法。同时由于目前主流的硫化锑太阳能电池的结构中均采用有机物作为空穴传输层,而有机空穴传输层是不稳定的,这在将严重影响电池稳定性。为了解决这一问题,我们引入了无机的五氧化二钒作为空穴传输层来替代有机传输层,提高电池的稳定性。此外,由于二元硫化锑为二维层状化合物,电池效率很大程度上受限于薄膜的取向。而这种取向问题采用传统溶液法制备很难获得合适的取向。因而为了拓展研究体系,为太阳能电池材料开发出更多选择,我们采用溶液法制备出了三元的铜铋硫(Cu3BiS3),通过对其光电性质的研究,发现它具有作为太阳能电池吸收层的潜力,很有希望成为下一代太阳能电池的吸收层材料。本论文的主要研究内容分为如下几个部分:第一部分(第一章)首先介绍了硫化锑太阳能电池的国内外的发展现状,阐述了制备硫化锑太阳能电池的主要实验方法以及存在的问题。第二部分(第二章)首次采用两步旋涂退火的方法制备出了高质量的硫化锑薄膜。这种方法制备硫化锑薄膜简单方便,同时这种方法制备出的硫化锑薄膜比较薄,为发展硫化锑叠层太阳能电池奠定了一定的基础。另一方面,由于采用两步旋涂的方法制备的硫化锑薄膜较薄,在一定程度上限制了效率的进一步提升。为了进一步提升电池的效率,我们采用一步旋涂的方法,制备出了厚度更厚的硫化锑薄膜,使电池效率得到了显著的提升。第三部分(第三章)为了解决有机空穴传输层不稳定造成的硫化锑太阳能电池不稳定的问题,我们采用溶液法制备出无机的五氧化二钒来替代有机传输层,制备出了全无机的硫化锑太阳能电池。这样在不明显降低太阳能电池效率的前提下,有效的提升了太阳能电池的稳定性。这为以后发展高效率全无机硫化锑太阳能电池奠定了基础。第四部分(第四章)为了拓展太阳能电池材料家族,我们对三元铜铋硫(Cu3BiS3)进行了基础研究。我们首先采用溶液法制备出了混合金属氧化物,然后通过硫化的方式制备出了 Cu3BiS3。通过采用不同的硫化方式,揭示出了从金属氧化物到硫化物转变过程中的相变规律以及相应的机理。这一研究为未来研究这种材料奠定了合成基础。同时通过对其基本的光电性能的研究,发现其很有希望成为太阳能电池吸收层材料。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TM914.4
【部分图文】：

图１．１?１９８５年－２０１７年各种形式的能源发电童占总发电量的百分比丨１Ｊ．??自地球上有生命诞生以来，每种生命形式都依赖于太阳提供的热辐射能而??生存。实际上，地球上大多数能源形式均来源于太阳能，如地球上的化石燃料??就是长时间贮存下来的太阳能。所以从广义角度来说，太阳能所包括的范围很??宽。而此论文中所述的太阳能为狭义上的太阳能，即太阳辐射能的光热、光电??和光化学的直接转换。太阳能是太阳内部连续不断的氢原子聚变成氦原子的过??程中释放出的巨大能量。每秒向其周围释放出大约３．８６５Ｘ１０２３焦耳的能量，相??当于每秒钟燃烧１．３２１?Ｘ１０１６吨的标准煤。而每秒钟地球能接收到的能量大约为??总量的二十二亿分之一，相当于人类一年消耗全部商品能量的２．８万倍［２］。这??是一个相当大的能量蛋糕，因而太阳能作为未来人类重要的能源供给之一被给??予很大希望。如何充分利用这一能量形式，是目前世界面临的一个重要课题。??同时，与传统的化石能源相比，太阳能具有诸多优点：首先，由上述数据分析??可见，太阳能的储量巨大，在可预见的太阳寿命的前提下，可以认为太阳能是??

散射的全太阳光能量光谱ＡＭ１．５Ｇ和不包括曼散射的直射光谱ＡＭ１．５Ｄ?（式１．３??中沒＝４８．２°）。对于ＡＭ１．５Ｇ，其光谱能量密度近似为９７０Ｗ／ｍ３。为了便于计算，??实际使用过程中通常将其近似为１０００?Ｗ／ｍ３。图１．３ａ展示了太阳表面的黑体以??及ＡＭＯ、ＡＭ１．５Ｇ和ＡＭ１．５Ｄ的光谱分布［２，?４］。通常实验室研究太阳能电池所??使用的太阳光模拟器所使用的就是ＡＭ１．５Ｇ所对应的太阳光谱。??巧）２?．?．６〇ｉ？ｘｉｉｅｉ？ｉｗ??（ｂ）??Ｉ?－?一朵翁??｜?１?—．????＊??°?°＇５?ＷａＬｅｎｇｍ?品）２?“?．．．．．?Ｍｉｌ???图１?■?３?（ａ）?５８００?Ｋ黑体以及ＡＭＯ、ＡＭ１?？?５Ｇ的光谱嫌照度；（ｂ）大气质置的定义；（ｃ）??晴朗天气下太阳光穿过地球大气层的吸收和散射情况［２］?？??１．２．２太阳能电池原理??将上述太阳辐射的能量转化为电能的器件称之为太阳能电池。全固态太阳??能电池的基本原理为两种不同导电类型的半导体相结合形成的ｐ－ｎ结，如图１．４ａ??所示。这种ｐ－ｎ结可以分为同质结和异质结，顾名思义就是构成ｐ－ｎ结的两种??半导体材料是否为同一种材料。理想情况下，当一块ｐ型半导体和一块ｎ型半??导体相互接触时，由于两边载流子浓度的差异造成一个很大的浓度梯度。在这??种浓度梯度的作用下，为了达到热平衡，ｎ区的多子，即电子向ｐ区扩散，留??下不可移动的带正电荷的施主。同时ｐ区的空穴向ｎ区扩散，留下不可移动的??带负电荷的受主。若半导体两侧无外电路时

从而整个结构的费米能级也将处处相等，从而可知当处于平衡状态??下，耗尽区内能带将发生弯曲以保证费米能级的相等。这种弯曲可以由内建的??电势来反映（图１．４ｂ）?［２，４，５］。根据理论推导，在平衡状态下，内建电势Ｆｂ，为：??Ｖｗ?＝?ｉ??ｑ?ｑ?ＮｄＮａ??取为材料的禁带宽度，ｇ为电荷量，为施主浓度，凡为受主浓度，为有??效导带状态密度，ＡＶ为有效价带状态密度。灸为玻尔兹曼常数，ｒ为绝对温度。??（ａ）?ｄｒｉｆｔ?（ｄｕｅ?ｔｏ?Ｅ－ｆ？ｅｌｄ）?（ｂ）?ｒ??之?ＣＶ９?ｅＶｊ?Ｅ－?＾?ｒ??５?（Ｈｙｐｅ?、、＇?■?１?ｆ?ｐ－ｓｉＡｅ?；?＼?；?？．Ｍｄｅ??ｋ?抓?ｉ?ｒＴｉ＾??＞?ｈｏｌｅ?ｐａｉｒ?ｃｒｅａｔｉｏｎ?■?????－．ｖＬｌ?Ｉ??ｄｒｉｆｔ?（ｄｕｅ?ｔｏ?Ｅ－ｆｉｅｌｄ）?，?Ａ?＼???ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?丨?ｉ???°?？ｎ??：?ｆ＼＾ｖ??—Ｍ￣丨各、???㈡Ｗ－?：３?ｖ?！?！?！?ｖ??—＾ｐ＼?丨?ｉ?工??Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｐｎ－ｊｕｎｄｉｏｎ?１?＿＿■■＿■丨＿＿丨丨１１！?Ａ?＾???＾??＾ｍａｘ＿？？Ｘ??图１．４?（ａ）ｐＭ！结以及内部电场示惫图：（ｂ）耗尽区内部电荷、电势和电场的分布曲线丨２，４，５］．??当光照射到半导体表面时
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本文编号：2864869