溶剂热合成技术制备铜锌锡硫半导体薄膜

发布时间：2017-07-18 01:07

  本文关键词：溶剂热合成技术制备铜锌锡硫半导体薄膜

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【摘要】：铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4,简称CZTS)薄膜太阳电池由于具有绿色环保、成本低廉和较高的光电转换效率等优点,已成为太阳能电池研究的热点之一。CZTS半导体薄膜作为CZTS薄膜太阳电池的吸收层,对CZTS薄膜太阳电池的质量和性能起着重要作用,因此,展开对CZTS半导体薄膜的研究具有十分重要的意义和价值。采用溶剂热合成技术,以乙醇为溶剂,氯化锌、氯化亚锡、氯化铜和硫脲为反应剂,以草酸为还原剂,十六烷基三甲基溴化铵为阳离子表面活性剂,直接在透明导电玻璃衬底上制备Cu2ZnSnS4(CZTS)半导体薄膜。采用X射线衍射(XRD)、能量色散谱(EDS)、拉曼光谱、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见光谱研究了反应温度、氯化铜浓度、氯化锌浓度和反应时间对CZTS半导体薄膜的结构、形貌和光学性能的影响规律。研究结果总结如下：1.在不同反应温度下制备出了具有锌黄锡矿结构CZTS纳米晶半导体薄膜。CZTS纳米晶薄膜具有锌黄锡矿结构,当反应温度从140-C逐渐升高到230。C时,纳米晶的平均晶粒大小从4.25nm逐渐增加到13.17nm,禁带宽度从1.76eV减小到1.53eV；同时,低温下制备CZTS薄膜是由平均尺寸约450nm的类球形颗粒组成的,高温下制备的薄膜逐步演变成由相互卷绕的纳米纸构成。2.氯化铜浓度对所制备的CZTS薄膜纯度影响较大。当氯化铜浓度低于0.025M时,所生成的薄膜是纯相的CZTS,当氯化铜浓度大于0.0375M时,薄膜中出现Cu784杂相。氯化铜浓度为0.025M时,所制备的CZTS薄膜较纯相且结晶性最好,薄膜形貌是由很多相互卷绕厚度约10nm纳米片组成,薄膜均匀致密。当氯化铜浓度为其他值时,薄膜是由许多不规则大小不一的块状颗粒组成,薄膜不是很致密,且在衬底上沉积很不均匀；随着氯化铜浓度逐渐增加,CZTS薄膜的禁带宽度逐渐减小。3.不同氯化锌浓度下制备出了纯相的锌黄锡矿结构CZTS薄膜；氯化锌浓度对CZTS薄膜的表面形貌影响不大,在不同浓度下制备的CZTS薄膜都由相互卷绕的纳米片组成的,这些纳米片均匀分布在FTO衬底上；当氯化锌浓度低于0.0625M时,所制备的CZTS薄膜样品在紫外和可见光波段的透射率低于20%,对光的吸收比较强。不同氯化锌浓度下制备的CZTS薄膜样品禁带宽度都较为接近太阳电池最佳带隙。4.在不同反应时间下生成的薄膜都为纯相的锌黄锡矿结构CZTS薄膜。随着反应时间的逐渐增加,薄膜的结晶性逐渐增强,平均晶粒尺寸也随之增大。反应时间对CZTS薄膜形貌影响不大,薄膜都由相互卷绕的纳米片组成,随着时间增加薄膜越来越均匀致密；反应时间为5h、10h、15h、20h所制备的CZTS薄膜对应的禁带宽度分别为1.89eV, 1.81eV,1.71eV,1.83eV。
【关键词】：薄膜太阳能电池 溶剂热合成技术 Cu_2ZnSnS_4半导体薄膜 光学性能
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055;TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 太阳能电池概述14-16
• 1.1.1 太阳能光伏技术的研究背景及意义14
• 1.1.2 太阳能电池的发展历程14-16
• 1.2 太阳能电池工作原理16-18
• 1.2.1 半导体pn结16-17
• 1.2.2 太阳能电池发电原理17
• 1.2.3 太阳能电池的电性参数17-18
• 1.3 薄膜太阳能电池的分类和特点18-24
• 1.3.1 硅基薄膜太阳能电池19-20
• 1.3.2 有机薄膜太阳能电池20-21
• 1.3.3 染料敏化太阳能电池21-22
• 1.3.4 无机化合物半导体薄膜太阳能电池22-24
• 1.4 CZTS薄膜太阳能电池24-27
• 1.4.1 CZTS薄膜太阳能电池的基本结构24-25
• 1.4.2 CZTS薄膜太阳能电池各组成部分介绍25-27
• 1.5 本论文的研究目标和主要工作27-28
• 第二章 材料制备方法与表征手段28-37
• 2.1 实验器材28-29
• 2.1.1 实验设备28
• 2.1.2 主要化学试剂和材料28-29
• 2.2 材料制备方法29-33
• 2.2.1 磁控溅射镀膜法29-30
• 2.2.2 电化学沉积法30-31
• 2.2.3 热蒸发法31-32
• 2.2.4 溶剂热合成法32-33
• 2.3 材料表征技术33-37
• 2.3.1 扫描电子显微镜和特征X射线能谱33-34
• 2.3.2 X射线衍射34-35
• 2.3.3 X射线光电子能谱35-36
• 2.3.4 紫外-可见分光光谱36-37
• 第三章 反应温度对Cu_2ZnSnS_4薄膜结构、形貌与性能的影响37-47
• 3.1 引言37
• 3.2 CZTS半导体薄膜的制备37-38
• 3.3 反应温度对CZTS薄膜成分、结构的影响38-42
• 3.4 反应温度对CZTS薄膜形貌的影响42-44
• 3.5 反应温度对CZTS薄膜光学性能的影响44-45
• 3.6 CZTS薄膜的形成机理分析45-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 反应物浓度对Cu_2ZnSnS_4薄膜结构、形貌与性能的影响47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 CZTS半导体薄膜的制备47-48
• 4.3 氯化铜浓度对CZTS半导体结构、形貌与性能的影响48-52
• 4.3.1 氯化铜浓度对CZTS薄膜成分和结构的影响48-50
• 4.3.2 氯化铜浓度对CZTS薄膜形貌的影响50-51
• 4.3.3 氯化铜浓度对CZTS薄膜光学性能的影响51-52
• 4.4 氯化锌浓度对CZTS薄膜结构、形貌与性能的影响52-56
• 4.4.1 氯化锌浓度对CZTS薄膜成分和结构的影响52-54
• 4.4.2 氯化锌浓度对CZTS薄膜形貌的影响54-55
• 4.4.3 氯化锌浓度对CZTS薄膜光学性能的影响55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第五章 反应时间对Cu_2ZnSnS_4薄膜结构、形貌与性能的影响58-64
• 5.1 引言58
• 5.2 CZTS半导体薄膜的制备58-59
• 5.3 反应时间对CZTS薄膜成分、结构的影响59-60
• 5.4 反应时间对CZTS薄膜形貌的影响60-62
• 5.5 反应时间对CZTS薄膜光学性能的影响62-63
• 5.6 本章小结63-64
• 总结与展望64-67
• 特色与创新之处67-68
• 参考文献68-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文75-77
• 致谢77

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本文编号：555367