【摘要】：近年來,薄膜太陽能電池的應(yīng)用已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。吸收層作為產(chǎn)生電子空穴對(duì)的主要場(chǎng)所,是整個(gè)薄膜太陽能電池的核心。銅鋅錫硫(CZTS)因其具有資源豐富,且光吸收系數(shù)高、禁帶寬度適中等優(yōu)勢(shì),所以被作為吸收層理想的候選材料。然而薄膜結(jié)構(gòu)中光吸收和載流子重組會(huì)導(dǎo)致電子的損失增多,為了使光和電流沿不同路徑傳輸,提高吸收層的吸收效率和節(jié)約制作成本。因此,本論文提出在薄膜太陽能電池中引入徑向PN結(jié)納米結(jié)構(gòu),將低成本、高產(chǎn)出的納米微球掩模板刻蝕技術(shù)與CZTS薄膜制備工藝相結(jié)合。在保證薄膜質(zhì)量的同時(shí),高縱橫比的納米結(jié)構(gòu)能夠提供更直接的電荷傳輸通道,有利于電荷的收集效率和吸收效率,從而得到高性能的納米線結(jié)構(gòu)CZTS吸收層。本論文通過時(shí)域有限差分法(FDTD)仿真設(shè)計(jì)了納米線陣列結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化占空比、柱高度等參數(shù)設(shè)定納米線直徑400nm、高度2μm,實(shí)現(xiàn)了其在300~2000nm寬波段范圍內(nèi)反射率的降低。在斜入射情況下,光吸收特性隨著入射角度增大而增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了0~60°入射角度的延展。論文中采用提拉法的自組裝技術(shù)制備掩模板,確定鋪展劑水與乙醇1:2的配比、表面活性劑4 wt%的濃度、靜置平衡2分鐘后再提拉、用塑料滴管滴加微球懸濁液等參數(shù)后得到了規(guī)整排列的單層聚苯乙烯微球掩模板。利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)在其掩模板上通過改變刻蝕時(shí)間等條件制備得到尺寸可控的SiO_2納米柱陣列,實(shí)現(xiàn)平面襯底的替代。利用磁控濺射制備CZTS預(yù)制層,在濺射氣壓3mTorr、濺射功率120W、襯底溫度300℃等實(shí)驗(yàn)條件下得到的薄膜較為致密,且薄膜的化學(xué)元素比約為2:1:1:4。再經(jīng)過硫化熱處理,確定在硫化溫度為550℃時(shí),形成單一相的CZTS薄膜。本論文最后得到的納米線陣列結(jié)構(gòu)CZTS吸收層在可見光區(qū)域具有相對(duì)較高的吸收率,且在寬波段范圍的光吸收性高于平面薄膜,從而提升了太陽能電池器件的光學(xué)性能。
【圖文】：

可實(shí)現(xiàn)光和電流沿不同路徑進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)，縮短吸少襯底材料的消耗，兼具優(yōu)異的光電特性，因此考慮在薄膜太陽能構(gòu)的吸收層。納米結(jié)構(gòu)在太陽能電池領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)較為明顯，主要體的反射率，以及提高載流子的聚集效率，，進(jìn)而在寬波段范圍內(nèi)得到優(yōu)異的吸收效果。而太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的提高，很大程度上取決地表光譜的吸收程度。陽光譜不同波段里所含的能量來說，其分布并不均勻，因此光照射的光子數(shù)量也就不同。到達(dá)地球表面的光譜圖如圖 1.2 所示，當(dāng)太面時(shí)，受各種宇宙行星的影響以及大氣中分子引起的瑞利散射、空和塵埃的吸收和反射等因素，使得最終到達(dá)地面的太陽輻射能量遠(yuǎn)全球平均 45%），大氣層的吸收導(dǎo)致紅外光譜區(qū)（>760nm）能量 43%上升到 52%左右，可見光譜區(qū)（400～760nm）所占有能量的到 43%左右，在紫外光譜區(qū)（<400nm）到達(dá)地球表面的太陽能光譜不面上觀測(cè)的太陽輻射波段范圍大約為 0.295～2.5μm。如何把這些豐起來以便實(shí)現(xiàn)對(duì)其最大利用，是科學(xué)家們?yōu)橹Φ姆较颉?

新型 CZTS 薄膜太陽能電池.1 CZTS 薄膜的性質(zhì)銅鋅錫硫（CZTS）屬于 I-II-IV-VI 族四元半導(dǎo)體化合物材料，具有鋅黃錫礦結(jié) 1.3 所示。結(jié)構(gòu)特征是陽離子層 CuSn、CuZn、CuSn 和 CuZn 交替排列在 1/2 和 3/4 處。采用 Schottky-Queisser 理論計(jì)算，CZTS 的理論最高轉(zhuǎn)換效4%，其短路電流（Jsc）為 29.6 mA/cm2，開路電壓（Voc）為 1.23 V，填充因子（9.9%。晶格常數(shù) a=0.54nm，c=1.09nm[4]，計(jì)算得到 CZTS 的密度約為 4.6g/cmS 作為直接帶隙的半導(dǎo)體材料，僅由豐富且無毒的元素組成，禁帶寬度 1.4～的光吸收系數(shù)約 104cm-1，這種高吸收系數(shù)和接近最優(yōu)的帶隙能量，使得只量級(jí)厚度的材料就能實(shí)現(xiàn)大部分太陽光的吸收，因此 CZTS 成為制備低成本能電池吸收層的理想材料[6]。
【學(xué)位授予單位】：長春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2603603