铜铟硒和铜铟镓硒薄膜的制备及其能带计算

发布时间：2017-04-06 17:10

  本文关键词：铜铟硒和铜铟镓硒薄膜的制备及其能带计算，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铜铟硒薄膜太阳能电池具备高转化效率、低制造成本和电池性能比较稳定等优势,其吸收层CuInSe2是一种直接带隙材料,禁带宽度在1.04eV左右,比理想中的禁带宽度1.5eV小。通过在CuInSe2中掺入一定量的Ga代替部分In元素,可以调整其禁带宽度在1.04-1.7eV范围变化,因此CuIn1-xGaxSe2薄膜太阳能电池成为目前可调带隙高效薄膜太阳能电池最具发展前景的材料。首先,建立铜铟硒和掺杂不同Ga浓度的铜铟镓硒的物理模型,然后在所建模型基础上对薄膜的能带带隙进行了计算,计算中使用了不同的赝势,将所得计算结果与理论值进行了比较,得出了一系列的结果。通过计算结果分析,本文所使用的计算方法得出的能带带隙比理论值小,在结果中还可以看出,随着掺杂浓度的增加使用LDA赝势和PBE赝势的计算结果都呈现出了带隙逐渐变大的趋势,且符合掺杂浓度与带隙经验关系曲线。旋涂～化学共还原法是制备铜铟硒光电薄膜的一种易操作、低成本的制备方法,本文使用旋涂～化学共还原方法制备了铜铟硒和掺杂不同Ga浓度的铜铟镓硒薄膜。通过对比不同条件下制备CuInSe2薄膜的XRD图谱以及SEM照片,分析比较了在相同的反应温度下改变反应时间对制备CuInSe2薄膜的影响, 从实验结果可以看出在相同的实验温度下,增加反应时间有利于目标薄膜的结晶程度,并且使用能谱仪分析了薄膜元素含量,测试出薄膜中含有Cu、In和Se三种元素。实验中增加反应次数比较反应次数对制备CuInSe2薄膜的影响,得出增加反应次数有利于薄膜的结晶,可以使薄膜更加致密,电导率更高,但是反应次数越多估算的带隙越小。使用外推法估算了CuInSe2薄膜的带隙宽度约为1.2eV,比理论值1.04eV偏大。使用旋涂～共还原法制备了CuIn1-xGaxSe2薄膜,并且通过分析不同反应温度和反应时间的薄膜XRD图谱,得出了结晶程度较好的制备工艺在反应温度为200℃下反应20h。通过观察不同掺杂浓度CuIn1-xGaxSe2薄膜SEM照片可以看出,随着掺杂浓度的逐渐增加,薄膜的表面形貌发生了变化,有由球状晶体向棒状转换的趋势。通过测试CuIn1-xGaxSe2薄膜电阻率,得出掺杂浓度对电阻率的影响不是特别明显,随着掺杂浓度的增加电阻率会出现微小的上升。使用可见分光光度计对CuIn1-xGaxSe2薄膜的吸光度进行测试,并且利用测试所得数据估算出薄膜的带隙变化,制备出的CuIn0.8Ga0.2Se2、CuIn0.6Ga0.4Se2、CuIn0.4Ga0.6Se2、CuIn0.2Ga0.7Se2和CuGaSe2薄膜的估算光学带隙分别是通过估算结果看出,制备的薄膜带隙值比理论值要大一些,但是符合掺杂变化规律。
【关键词】：铜基硫族化合物 能带带隙 材料计算 密度泛函理论 薄膜材料 旋涂-化学共还原法 掺杂
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能电池简介11-12
• 1.2.1 太阳能电池工作原理11
• 1.2.2 太阳能电池的分类11-12
• 1.3 铜铟(镓)硒薄膜简介12-14
• 1.3.1 铜铟(镓)硒薄膜电池研究现状12-13
• 1.3.2 铜铟(镓)硒薄膜制备方法13-14
• 1.4 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2能带计算方法14-18
• 1.4.1 第一性原理简介14-16
• 1.4.2 能带计算方法16-18
• 1.5 研究思路与主要内容18-19
• 第2章 实验方法及设备19-23
• 2.1 实验试剂及设备19
• 2.2 实验内容与过程19-20
• 2.2.1 基片处理20
• 2.2.2 配置前驱体溶液20
• 2.2.3 旋涂制膜20
• 2.2.4 薄膜热处理20
• 2.3 测试仪器及计算软件20-23
• 2.3.1 X射线衍射仪20-21
• 2.3.2 扫描电子显微镜21
• 2.3.3 可见光分光光度计21
• 2.3.4 四探针测试仪21
• 2.3.5 计算软件简介21-23
• 第3章 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜的能带计算23-40
• 3.1 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的晶体结构及物理模型23
• 3.2 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算细节23-26
• 3.2.1 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算INCAR文件设置24-25
• 3.2.2 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算KPOINTS文件设置25
• 3.2.3 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算POSCAR文件设置25
• 3.2.4 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算POTCAR文件设置25-26
• 3.3 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的能带计算结果讨论26-39
• 3.3.1 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2的ENCUT收敛测试结果分析26-27
• 3.3.2 KPOINTS收敛测试结果分析27-29
• 3.3.3 晶格常数a和c计算结果29-34
• 3.3.4 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2能带计算结果分析34-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 CuInSe_2薄膜的制备及表征40-52
• 4.1 CuInSe_2薄膜的制备40
• 4.2 实验结果分析及讨论40-51
• 4.2.1 不同反应时间对CuInSe_2薄膜的影响40-43
• 4.2.2 增加反应次数对CuInSe_2薄膜的影响43-45
• 4.2.3 CuInSe_2薄膜电性能测试及结果分析45-48
• 4.2.4 CuInSe_2薄膜成分分析48
• 4.2.5 CuInSe_2薄膜能带带隙测量及分析48-51
• 4.3 本章小结51-52
• 第5章 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜的制备与表征52-68
• 5.1 旋涂-化学共还原法制备CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜52
• 5.2 实验结果分析52-67
• 5.2.1 不同反应时间制备CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜的XRD图谱52-57
• 5.2.2 不同反应温度下制备CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜的XRD图谱57-61
• 5.2.3 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜XRD图谱对比61-62
• 5.2.4 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜电性能测试分析62
• 5.2.5 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜样品形貌分析62-64
• 5.2.6 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜EDS成分分析64-65
• 5.2.7 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2薄膜吸光度及带隙测量分析65-67
• 5.3 本章小结67-68
• 第6章 总结68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况74

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