發(fā)布時間：2020-11-01 02:10

　　 在諸多可在生能源中,光伏發(fā)電被視作一種取之不盡用之不竭的綠色能源,在近幾十年得到了快速發(fā)展。但是相較與傳統(tǒng)發(fā)電方式,太陽能光伏發(fā)電的價格還是比較高的。這主要是由于目前市場上主流產(chǎn)品仍是以硅基太陽能電池為主。而硅材料的提純費用是非常昂貴的,從而使得太陽能電池的成本居高不下。為了能夠降低光伏發(fā)電的成本,許多新材料相繼被開發(fā)出來,如二元的碲化鎘、四元的銅銦鎵硒、有機-無機雜化鈣鈦礦薄膜太陽能電池等。但是這些材料要么含有有毒元素,要么不穩(wěn)定,使得這些電池在未來很難進行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。因而繼續(xù)探索新材料,對于降低光伏發(fā)電成本是很有必要的。近年來,二元的硫化銻被視作一種很有發(fā)展前景的太陽能電池材料。這種材料不僅穩(wěn)定,而且不含有有毒以及稀有元素。因而如果能夠提高硫化銻太陽能電池的效率,這將在很大程度上降低光伏發(fā)電的成本。雖然硫化銻太陽能電池近年來得到了快速發(fā)展,但是相對于其它太陽能電池,其效率還是很低的。為了研究硫化銻太陽能電池,有效提高硫化銻太陽能電池的效率。本論文以溶液法制備硫化銻太陽能電池為切入點,深入研究了制約硫化銻太陽能電池效率提升的因素以及相應(yīng)的解決方法。同時由于目前主流的硫化銻太陽能電池的結(jié)構(gòu)中均采用有機物作為空穴傳輸層,而有機空穴傳輸層是不穩(wěn)定的,這在將嚴重影響電池穩(wěn)定性。為了解決這一問題,我們引入了無機的五氧化二釩作為空穴傳輸層來替代有機傳輸層,提高電池的穩(wěn)定性。此外,由于二元硫化銻為二維層狀化合物,電池效率很大程度上受限于薄膜的取向。而這種取向問題采用傳統(tǒng)溶液法制備很難獲得合適的取向。因而為了拓展研究體系,為太陽能電池材料開發(fā)出更多選擇,我們采用溶液法制備出了三元的銅鉍硫(Cu3BiS3),通過對其光電性質(zhì)的研究,發(fā)現(xiàn)它具有作為太陽能電池吸收層的潛力,很有希望成為下一代太陽能電池的吸收層材料。本論文的主要研究內(nèi)容分為如下幾個部分:第一部分(第一章)首先介紹了硫化銻太陽能電池的國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了制備硫化銻太陽能電池的主要實驗方法以及存在的問題。第二部分(第二章)首次采用兩步旋涂退火的方法制備出了高質(zhì)量的硫化銻薄膜。這種方法制備硫化銻薄膜簡單方便,同時這種方法制備出的硫化銻薄膜比較薄,為發(fā)展硫化銻疊層太陽能電池奠定了一定的基礎(chǔ)。另一方面,由于采用兩步旋涂的方法制備的硫化銻薄膜較薄,在一定程度上限制了效率的進一步提升。為了進一步提升電池的效率,我們采用一步旋涂的方法,制備出了厚度更厚的硫化銻薄膜,使電池效率得到了顯著的提升。第三部分(第三章)為了解決有機空穴傳輸層不穩(wěn)定造成的硫化銻太陽能電池不穩(wěn)定的問題,我們采用溶液法制備出無機的五氧化二釩來替代有機傳輸層,制備出了全無機的硫化銻太陽能電池。這樣在不明顯降低太陽能電池效率的前提下,有效的提升了太陽能電池的穩(wěn)定性。這為以后發(fā)展高效率全無機硫化銻太陽能電池奠定了基礎(chǔ)。第四部分(第四章)為了拓展太陽能電池材料家族,我們對三元銅鉍硫(Cu3BiS3)進行了基礎(chǔ)研究。我們首先采用溶液法制備出了混合金屬氧化物,然后通過硫化的方式制備出了 Cu3BiS3。通過采用不同的硫化方式,揭示出了從金屬氧化物到硫化物轉(zhuǎn)變過程中的相變規(guī)律以及相應(yīng)的機理。這一研究為未來研究這種材料奠定了合成基礎(chǔ)。同時通過對其基本的光電性能的研究,發(fā)現(xiàn)其很有希望成為太陽能電池吸收層材料。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2;TM914.4
【部分圖文】：

圖１．１?１９８５年－２０１７年各種形式的能源發(fā)電童占總發(fā)電量的百分比丨１Ｊ．??自地球上有生命誕生以來，每種生命形式都依賴于太陽提供的熱輻射能而??生存。實際上，地球上大多數(shù)能源形式均來源于太陽能，如地球上的化石燃料??就是長時間貯存下來的太陽能。所以從廣義角度來說，太陽能所包括的范圍很??寬。而此論文中所述的太陽能為狹義上的太陽能，即太陽輻射能的光熱、光電??和光化學的直接轉(zhuǎn)換。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的氫原子聚變成氦原子的過??程中釋放出的巨大能量。每秒向其周圍釋放出大約３．８６５Ｘ１０２３焦耳的能量，相??當于每秒鐘燃燒１．３２１?Ｘ１０１６噸的標準煤。而每秒鐘地球能接收到的能量大約為??總量的二十二億分之一，相當于人類一年消耗全部商品能量的２．８萬倍［２］。這??是一個相當大的能量蛋糕，因而太陽能作為未來人類重要的能源供給之一被給??予很大希望。如何充分利用這一能量形式，是目前世界面臨的一個重要課題。??同時，與傳統(tǒng)的化石能源相比，太陽能具有諸多優(yōu)點：首先，由上述數(shù)據(jù)分析??可見，太陽能的儲量巨大，在可預(yù)見的太陽壽命的前提下，可以認為太陽能是??

散射的全太陽光能量光譜ＡＭ１．５Ｇ和不包括曼散射的直射光譜ＡＭ１．５Ｄ?（式１．３??中沒＝４８．２°）。對于ＡＭ１．５Ｇ，其光譜能量密度近似為９７０Ｗ／ｍ３。為了便于計算，??實際使用過程中通常將其近似為１０００?Ｗ／ｍ３。圖１．３ａ展示了太陽表面的黑體以??及ＡＭＯ、ＡＭ１．５Ｇ和ＡＭ１．５Ｄ的光譜分布［２，?４］。通常實驗室研究太陽能電池所??使用的太陽光模擬器所使用的就是ＡＭ１．５Ｇ所對應(yīng)的太陽光譜。??巧）２?．?．６〇ｉ？ｘｉｉｅｉ？ｉｗ??（ｂ）??Ｉ?－?一朵翁??｜?１?—．????＊??°?°＇５?ＷａＬｅｎｇｍ?品）２?“?．．．．．?Ｍｉｌ???圖１?■?３?（ａ）?５８００?Ｋ黑體以及ＡＭＯ、ＡＭ１?？?５Ｇ的光譜嫌照度；（ｂ）大氣質(zhì)置的定義；（ｃ）??晴朗天氣下太陽光穿過地球大氣層的吸收和散射情況［２］?？??１．２．２太陽能電池原理??將上述太陽輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能的器件稱之為太陽能電池。全固態(tài)太陽??能電池的基本原理為兩種不同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體相結(jié)合形成的ｐ－ｎ結(jié)，如圖１．４ａ??所示。這種ｐ－ｎ結(jié)可以分為同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)，顧名思義就是構(gòu)成ｐ－ｎ結(jié)的兩種??半導(dǎo)體材料是否為同一種材料。理想情況下，當一塊ｐ型半導(dǎo)體和一塊ｎ型半??導(dǎo)體相互接觸時，由于兩邊載流子濃度的差異造成一個很大的濃度梯度。在這??種濃度梯度的作用下，為了達到熱平衡，ｎ區(qū)的多子，即電子向ｐ區(qū)擴散，留??下不可移動的帶正電荷的施主。同時ｐ區(qū)的空穴向ｎ區(qū)擴散，留下不可移動的??帶負電荷的受主。若半導(dǎo)體兩側(cè)無外電路時

從而整個結(jié)構(gòu)的費米能級也將處處相等，從而可知當處于平衡狀態(tài)??下，耗盡區(qū)內(nèi)能帶將發(fā)生彎曲以保證費米能級的相等。這種彎曲可以由內(nèi)建的??電勢來反映（圖１．４ｂ）?［２，４，５］。根據(jù)理論推導(dǎo)，在平衡狀態(tài)下，內(nèi)建電勢Ｆｂ，為：??Ｖｗ?＝?ｉ??ｑ?ｑ?ＮｄＮａ??取為材料的禁帶寬度，ｇ為電荷量，為施主濃度，凡為受主濃度，為有??效導(dǎo)帶狀態(tài)密度，ＡＶ為有效價帶狀態(tài)密度。灸為玻爾茲曼常數(shù)，ｒ為絕對溫度。??（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??圖１．４?（ａ）ｐＭ！結(jié)以及內(nèi)部電場示憊圖：（ｂ）耗盡區(qū)內(nèi)部電荷、電勢和電場的分布曲線丨２，４，５］．??當光照射到半導(dǎo)體表面時
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本文編號：2864869