形貌可控的Cu_2ZnSnS_4纳米材料的制备与光电性能研究

发布时间：2017-03-29 14:17

  本文关键词：形貌可控的Cu_2ZnSnS_4纳米材料的制备与光电性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前，铜铟镓硒(CIGS)薄膜，作为太阳能电池的吸收层，已经实现了超过20%的转换效率。然而，由于铟和镓储量稀少，限制了该薄膜电池的发展。Cu_2ZnSnS_4(CZTS)是一种直接带隙P型半导体材料，其吸收系数较高，可达10~4cm~(-1)、带隙可调(1.4-1.6eV)，与半导体太阳能电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近，并且所含元素储量丰富，无毒，对环境污染小。因此，CZTS成为太阳能电池吸收层的最佳候选材料。在本论文中，我们采用简单的溶剂热法，以无机金属盐为原料，以无机溶剂为反应介质，成功制备了不同形貌和不同尺寸的CZTS纳米颗粒，并探讨和分析了不同反应条件对产物的影响，提出花状颗粒的生长机理。同时，我们也考察和测试了薄膜的光电性能，将CZTS纳米颗粒分别作为无机太阳能电池的吸收层以及染料敏化电池的对电极，期待这种多层次结构的CZTS纳米颗粒能够广泛应用于太阳能电池生产中。本论文主要工作包括以下几个部分： 1.采用溶剂热法，尝试采用各种溶剂（乙二胺、乙二醇和聚乙二醇-400（PEG））制备CZTS纳米颗粒，并且对所合成的CZTS颗粒做了相关表征。结果表明，以乙二醇为溶剂，通过加入表面活性剂(PVP)，以及PEG (PEG和EG)为溶剂，我们能够得到形貌可控，尺寸可调的球状以及花状CZTS纳米颗粒，另外，我们还探讨了不同的反应因素（如反应温度、溶液浓度、反应时间和PVP的含量、）对产物形貌及尺寸的影响，分析了PVP的作用，提出花状纳米颗粒的形成机理。结果表明，产物的最佳温度为230oC，PVP以及PEG不仅能够阻止颗粒团聚，而且含量较少时，能够吸附在某个晶面，促使纳米片生成。最后，我们比较了不同形貌的CZTS颗粒的光吸收曲线，发现花状的CZTS颗粒由于具有特殊的多层次结构，表面积较大，，能够对可见光发生多次反射及散射，促使其吸光度下降缓慢，有利于吸收更多的可见光。 2.本章我们主要探讨了CZTS薄膜的光电性能，首先采用简单的刮刀涂膜法将所制备的球状以及花状的CZTS纳米颗粒制成薄膜，然后我们试图将CZTS薄膜作为太阳能电池的吸收层，尝试组装成简单的无机太阳能电池，测试其光电性能，由于热处理条件、薄膜与基底的牢固度等多方面因素的影响，我们目前组装的电池装置还未得到可观的光电转换效率。另外，我们还将该薄膜作为染料敏化电池的对电极材料，并对电池的光电转换效率进行测试，探讨不同条件对光电转换效率的影响。实验结果表明，硒化处理后的CZTS-Se薄膜（花状颗粒）作为对电极时，其装置的转换效率最高，达到3.99%，可以与铂电极相媲美（3.91%），表明我们制备的多层次结构的花状CZTS-Se对电极有望应用在染料敏化电池领域。
【关键词】：太阳能电池 溶剂热 Cu_2ZnSnS_4（CZTS） 吸收层 对电极
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O611.4;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 太阳能电池的研究背景10-11
• 1.2 太阳能电池的分类11-13
• 1.2.1 单晶硅太阳能电池11
• 1.2.2 多晶硅薄膜太阳能电池11
• 1.2.3 非晶硅薄膜太阳能电池11-12
• 1.2.4 化合物半导体太阳能电池12-13
• 1.2.5 有机太阳能电池13
• 1.2.6 染料敏化太阳能电池13
• 1.3 太阳能电池的原理13-16
• 1.3.1 光吸收13-14
• 1.3.2 P-N 结的光生伏打效应14-16
• 1.4 铜锌锡硫太阳能电池的发展及研究现状16-21
• 1.4.1 铜锌锡硫太阳能电池的特点16-17
• 1.4.2 铜锌锡硫太阳能电池的发展历程17
• 1.4.3 铜锌锡硫材料的制备方法及研究现状17-21
• 1.4.4 CZTS 纳米颗粒的溶剂热制备21
• 1.5. 本论文的选题目的和研究内容21-22
• 参考文献22-26
• 第二章 溶剂热法合成 CZTS 纳米颗粒26-52
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验部分27-29
• 2.2.1 药品27
• 2.2.2 测试仪器27-28
• 2.2.3 合成方法28-29
• 2.3 结果与讨论29-49
• 2.3.1 乙二胺体系29-32
• 2.3.2 乙二醇体系32-44
• 2.3.3 聚乙二醇-400 体系44-49
• 2.4 本章小结49-50
• 参考文献50-52
• 第三章 薄膜性能测试52-68
• 3.1 引言52
• 3.2 实验部分52-54
• 3.2.1 试剂和表征仪器52-53
• 3.2.2 薄膜的制备53-54
• 3.3 结果与讨论54-65
• 3.3.1 铜锌锡硫(硒)CZTS-Se 对电极的制备54-61
• 3.3.2 CZTS 薄膜作为吸收层61-63
• 3.3.3 染料敏化电池的光伏性能63-65
• 3.4 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第四章 总结与展望68-70
• 4.1 工作总结68-69
• 4.2 问题和展望69-70
• 硕士期间发表和已完成的工作70-72
• 致谢72-73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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2 冯怡;马天翼;刘蕾;袁忠勇;;无机纳米晶的形貌调控及生长机理研究[J];中国科学(B辑:化学);2009年09期

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4 沈辉,梁宗存,李戬洪;太阳能材料的研究和发展[J];世界科技研究与发展;2000年04期

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  本文关键词：形貌可控的Cu_2ZnSnS_4纳米材料的制备与光电性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：274677