电沉积铜锌锡硒溶液稳定性的研究

发布时间：2017-07-26 18:38

  本文关键词：电沉积铜锌锡硒溶液稳定性的研究

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【摘要】：铜锌锡硫(硒)(Cu_2ZnSnS_4(Se_4),CZTSS)薄膜太阳电池,具有原材料储备丰富、无毒性、高吸收系数、带隙可调、衰退小等特点,具有很大的发展前景。非真空制备工艺——电化学沉积法,以其原材料利用率高,低成本等特点成为制备CZTS薄膜电池的重要研究方向之一。目前电沉积法制备CZTS溶液稳定性差、薄膜成分比例调控困难,是影响其电池转换效率和限制其规模化生产的主要问题。本文主要针对电沉积制备Cu-Zn-Sn金属预制层溶液稳定性问题开展研究,通过对溶液中各物质的反应机理、电沉积机理分析以及实验验证,改善了Cu-Zn-Sn金属预制层溶液的稳定性。本文首先研究溶液的稳定性,主要配位剂为柠檬酸-酒石酸和焦磷酸。通过理论计算,pH等于5时柠檬酸、酒石酸与Cu、Zn、Sn反应生成螯合物,[(Xcit)Tar]~4-,X=Cu、Zn、Sn,此时溶液最为稳定。采用循环伏安法分析溶液中的Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Sn(Ⅱ)的反应机理,证实二元溶液形成了Cu-Zn、Cu-Sn和Zn-Sn的氧化峰。然后利用循环伏安法和分光光度法发现,随着搁置天数的增加柠檬酸浓度越高,溶液的吸光度和氧化峰位变化越小,证实了柠檬酸浓度越高,溶液相对越稳定。对焦磷酸体系理论计算得到,在pH等于8时焦磷酸与Cu、Zn、Sn配位成[X(P_2O_7)_2]~6-,X=Cu、Zn、Sn,此时溶液最为稳定。先对Cu、Zn、Sn单元、二元混合溶液进行循环伏安扫描,证实二元溶液形成CuZn和ZnSn氧化峰。然后通过对Cu-Zn-Sn溶液进行多天的循环伏安扫描和分光光度实验,发现三天内,焦磷酸体系的氧化峰位和吸光度变化较小,溶液较为稳定。通过不断添加焦磷酸对实验进行优化,发现溶液的吸光度在9天内变化很小,溶液稳定性得到改善。采用两种不同溶液体系,分别沉积合金预制层。采用两者预置层的附着力均不错,焦磷酸体系沉积的预置层,其致密性,粗糙度优于柠檬酸体系。预置层的晶相均为Sn和Cu_5Zn_8。进行硒化处理,制成铜锌锡硒薄膜电池,转换效率分别为4.01%和4.37%。
【关键词】：铜锌锡硒 电沉积 柠檬酸-酒石酸 焦磷酸 薄膜电池
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ153;TM914.42
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 太阳电池的研究意义9
• 1.2 太阳电池发展及其工作原理9-12
• 1.2.1 太阳电池的发展历史9-10
• 1.2.2 太阳电池工作原理10-12
• 1.3 铜锌锡硒薄膜材料及其制备方法12-14
• 1.3.1 铜锌锡硒的特性12-13
• 1.3.2 铜锌锡硒的制备13-14
• 1.4 电沉积制备铜锌锡硒薄膜14-16
• 1.4.1 电沉积技术发展14-15
• 1.4.2 电沉积制备CZTS15-16
• 1.4.3 铜锌锡硒制备工艺选择及存在的问题16
• 1.5 本文主要研究内容16-18
• 第二章 电化学实验方法，，测试原理及表征手段18-24
• 2.1 实验方法18-20
• 2.1.1 实验材料18
• 2.1.2 电沉积金属预置层的原理18-20
• 2.2 电化学设备及测试原理20-21
• 2.2.1 电化学工作站20
• 2.2.2 循环伏安法20-21
• 2.3 表征手段21-24
• 2.3.1 扫描电子显微镜21
• 2.3.2 电感耦合等离子发射光谱21-22
• 2.3.3 X射线衍射22
• 2.3.4 分光光度法22-24
• 第三章 柠檬酸体系的稳定性24-36
• 3.1 柠檬酸配位原理24-28
• 3.1.1 配合物概念24
• 3.1.2 柠檬酸的离解及与二价铜的络合24-28
• 3.2 柠檬酸体系的稳定性28-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第四章 焦磷酸体系的稳定性36-47
• 4.1 焦磷酸配位原理36-41
• 4.1.1 焦磷酸的离解36-37
• 4.1.2 焦磷酸的络合37-41
• 4.2 焦磷酸体系的稳定性41-45
• 4.3 实验优化45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第五章 铜锌锡硒薄膜电池的制备47-53
• 5.1 合金预制层的制备47-51
• 5.1.1 柠檬酸体系47-49
• 5.1.2 焦磷酸体系49-51
• 5.2 铜锌锡硒薄膜电池效率测试51-52
• 5.3 本章小结52-53
• 第六章 总结与展望53-55
• 6.1 总结53-54
• 6.2 展望54-55
• 参考文献55-59
• 发表论文和科研情况说明59-60
• 致谢60-61

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本文编号：577825