CZTSSe薄膜太陽能電池吸收層銅梯度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及性能研究
發(fā)布時間：2021-01-09 15:00
近年來,硫族化合物薄膜太陽能電池因具有生產(chǎn)成本低廉、元素帶隙可調(diào)和吸光系數(shù)高等優(yōu)勢而進入快速發(fā)展期。其中最具代表性的Cu（In,Ga）Se2（CIGS）薄膜太陽能電池中銦組分為稀有元素,地殼儲量低,不利于器件大面積制造以及長期規(guī)�；l(fā)展。經(jīng)元素取代衍生而來的Cu2ZnSn（S,Se）4（CZTSSe）太陽能電池組成元素地殼儲量豐度高,已經(jīng)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮夥骷弧Ｈ欢?由于CZTSSe中雜質(zhì)相的共存以及高濃度的不良缺陷,其最高效率12.62%仍遠低于CIGS的23.35%,限制了該器件的進一步發(fā)展。為抑制雜質(zhì)相的產(chǎn)生并提升吸收層電學性能,高效CZTSSe器件多采用Cu/（Zn+Sn）比值為0.7～0.75的Cu-poor結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能夠有效降低器件中有害缺陷及缺陷簇濃度,并能增加有益的淺層受體缺陷銅空位(VCu)濃度。雖然Cu-poor結(jié)構(gòu)解決了許多限制器件效率的問題,但其光電轉(zhuǎn)換效率進一步提升仍然遇到瓶頸,主要是由于（1）準中性區(qū)內(nèi)電荷傳輸驅(qū)動力弱,載流子易在背電極發(fā)生復(fù)合;（2）硒化...
【文章來源】：河南大學河南省
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
NREL報道2019年各類太陽能電池最高認證效率圖[5]
第一章緒論3較多，p型區(qū)域空穴較多，形成的光生電場部分消除勢壘電場，從而產(chǎn)生電動勢。將pn結(jié)兩端連接為通路，就會在電動勢驅(qū)動下產(chǎn)生電流。圖1-2太陽能電池工作原理[6]1.2.3太陽能電池分類隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池的種類日新月異。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，主要可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導地位。在世界各國的科研工作者的努力下，各類太陽能電池發(fā)展呈現(xiàn)欣欣向榮的良好趨勢。(1)硅太陽能電池硅太陽能電池主要可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池：是以高純度(99.999%)的單晶硅棒為原料的太陽能電池，單晶硅帶隙約為1.12eV，是當今開發(fā)最多的太陽能電池，在光伏市場中處于絕對的支配地位，幾乎占據(jù)了目前光伏市場份額的95%以上。器件結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：pn結(jié)、正面金屬接觸層、絨面結(jié)構(gòu)、Al背電嘗反面金屬接觸層和減反層。為了提高晶硅電池的效率，設(shè)計具有優(yōu)異光學和電學增效的電池結(jié)構(gòu)無疑是研發(fā)的重點內(nèi)容。如圖1-3所示為當今應(yīng)用較廣泛的PERC(PassivatedEmitterandRearCell)單晶硅電池結(jié)構(gòu)[7]。目前單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破26%，但是由于硅為間接帶隙半導體材料，光吸收系數(shù)較低，作為吸光層時所需的厚度較大，同時單晶材料純度要求高、制備條件嚴苛、能耗高以及成本高等限制了它進一步的發(fā)展[8]。
CZTSSe薄膜太陽能電池吸收層銅梯度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及性能研究4多晶硅太陽能電池：為了降低單晶硅成本和生產(chǎn)能耗，多晶硅太陽能電池應(yīng)運而生，它具有轉(zhuǎn)換效率高和衰變速率較低等特點[9]。相對于單晶硅，它能夠省去提純的高耗能生產(chǎn)工藝，并具備使用低成本襯底材料制備等優(yōu)勢，這顯示了多晶硅太陽能電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。多晶硅太陽能電池的制備方法有化學氣相沉積法、液相外延法和濺射沉積法。在實驗室條件下已經(jīng)取得了21.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，稍低于單晶硅太陽電池，高于非晶硅薄膜電池。然而，多晶硅太陽能電池的使用壽命與單晶硅太陽能電池相比較短，在性價比方面，多晶硅太陽能電池性能還有待提高。非晶硅(a-Si)太陽能電池：相對于單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法，非晶硅太陽能電池工藝簡化，它的主要優(yōu)點是能耗低，價廉質(zhì)輕，電池轉(zhuǎn)換效率較高，有利于產(chǎn)業(yè)化，在弱光條件也能發(fā)電，具有巨大的應(yīng)用前景[10-12]。非晶硅電池一般采用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition-等離子增強型化學氣相沉積)方法使高純硅烷等氣體分解沉積而成的。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前大面積大量生產(chǎn)的硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5%-10.2%。實驗室最高可達19.1%。該電池光照后穩(wěn)定性差，光電轉(zhuǎn)換效率衰減嚴重，限制了它的進一步推廣應(yīng)用。如果能夠提升及解決其光穩(wěn)定性問題，非晶硅太陽能電池在實際應(yīng)用方面會取得更大推廣。圖1-3PERC單晶硅電池結(jié)構(gòu)[7](2)染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池是以光合作用為原理，采用多孔納米氧化鈦吸附染料充當光陽極，含有金屬鉑透明導電膜的玻璃板作為陰極。并使用適當?shù)难趸?還原電解質(zhì)，其中使用最多的是氯化鉀溶液。其電池的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1-4所示。染料敏化太陽能電
【參考文獻】：
期刊論文
[1]太陽能光電、光熱轉(zhuǎn)換材料的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 王聰,代蓓蓓,于佳玉,王蕾,孫瑩. 硅酸鹽學報. 2017(11)
[2]薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的研究[J]. 薛俊明,麥耀華,趙穎,張德坤,韓建超,侯國付,朱鋒,張曉丹,耿新華. 太陽能學報. 2005(02)
[3]非晶硅太陽能電池研究現(xiàn)狀[J]. 吳建榮,杜丕一,韓高榮,壽瑾暉,張溪文,朱懿. 材料導報. 1999(02)
[4]光生伏特效應(yīng)[J]. 陳宜生,張立升. 物理通報. 1995(02)
博士論文
[1]鈣鈦礦太陽能電池的相關(guān)物理過程研究[D]. 劉洋.吉林大學 2019
碩士論文
[1]基于界面調(diào)控的高效率有機光伏電池研究[D]. 郭學文.華東師范大學 2019
[2]Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太陽電池吸收層的制備及器件優(yōu)化的研究[D]. 曾旸.深圳大學 2018
[3]大氣氛圍水相制備(Cu1-xMx)2ZnSn（S,Se）4電池材料[D]. 盧海洋.河南大學 2018
本文編號：2966876
【文章來源】：河南大學河南省
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
NREL報道2019年各類太陽能電池最高認證效率圖[5]
第一章緒論3較多，p型區(qū)域空穴較多，形成的光生電場部分消除勢壘電場，從而產(chǎn)生電動勢。將pn結(jié)兩端連接為通路，就會在電動勢驅(qū)動下產(chǎn)生電流。圖1-2太陽能電池工作原理[6]1.2.3太陽能電池分類隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池的種類日新月異。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，主要可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池等，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導地位。在世界各國的科研工作者的努力下，各類太陽能電池發(fā)展呈現(xiàn)欣欣向榮的良好趨勢。(1)硅太陽能電池硅太陽能電池主要可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池：是以高純度(99.999%)的單晶硅棒為原料的太陽能電池，單晶硅帶隙約為1.12eV，是當今開發(fā)最多的太陽能電池，在光伏市場中處于絕對的支配地位，幾乎占據(jù)了目前光伏市場份額的95%以上。器件結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分：pn結(jié)、正面金屬接觸層、絨面結(jié)構(gòu)、Al背電嘗反面金屬接觸層和減反層。為了提高晶硅電池的效率，設(shè)計具有優(yōu)異光學和電學增效的電池結(jié)構(gòu)無疑是研發(fā)的重點內(nèi)容。如圖1-3所示為當今應(yīng)用較廣泛的PERC(PassivatedEmitterandRearCell)單晶硅電池結(jié)構(gòu)[7]。目前單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破26%，但是由于硅為間接帶隙半導體材料，光吸收系數(shù)較低，作為吸光層時所需的厚度較大，同時單晶材料純度要求高、制備條件嚴苛、能耗高以及成本高等限制了它進一步的發(fā)展[8]。
CZTSSe薄膜太陽能電池吸收層銅梯度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及性能研究4多晶硅太陽能電池：為了降低單晶硅成本和生產(chǎn)能耗，多晶硅太陽能電池應(yīng)運而生，它具有轉(zhuǎn)換效率高和衰變速率較低等特點[9]。相對于單晶硅，它能夠省去提純的高耗能生產(chǎn)工藝，并具備使用低成本襯底材料制備等優(yōu)勢，這顯示了多晶硅太陽能電池具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。多晶硅太陽能電池的制備方法有化學氣相沉積法、液相外延法和濺射沉積法。在實驗室條件下已經(jīng)取得了21.2%的光電轉(zhuǎn)換效率，稍低于單晶硅太陽電池，高于非晶硅薄膜電池。然而，多晶硅太陽能電池的使用壽命與單晶硅太陽能電池相比較短，在性價比方面，多晶硅太陽能電池性能還有待提高。非晶硅(a-Si)太陽能電池：相對于單晶硅和多晶硅太陽電池的制作方法，非晶硅太陽能電池工藝簡化，它的主要優(yōu)點是能耗低，價廉質(zhì)輕，電池轉(zhuǎn)換效率較高，有利于產(chǎn)業(yè)化，在弱光條件也能發(fā)電，具有巨大的應(yīng)用前景[10-12]。非晶硅電池一般采用PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition-等離子增強型化學氣相沉積)方法使高純硅烷等氣體分解沉積而成的。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前大面積大量生產(chǎn)的硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5%-10.2%。實驗室最高可達19.1%。該電池光照后穩(wěn)定性差，光電轉(zhuǎn)換效率衰減嚴重，限制了它的進一步推廣應(yīng)用。如果能夠提升及解決其光穩(wěn)定性問題，非晶硅太陽能電池在實際應(yīng)用方面會取得更大推廣。圖1-3PERC單晶硅電池結(jié)構(gòu)[7](2)染料敏化太陽能電池染料敏化太陽能電池是以光合作用為原理，采用多孔納米氧化鈦吸附染料充當光陽極，含有金屬鉑透明導電膜的玻璃板作為陰極。并使用適當?shù)难趸?還原電解質(zhì)，其中使用最多的是氯化鉀溶液。其電池的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1-4所示。染料敏化太陽能電
【參考文獻】：
期刊論文
[1]太陽能光電、光熱轉(zhuǎn)換材料的研究現(xiàn)狀與進展[J]. 王聰,代蓓蓓,于佳玉,王蕾,孫瑩. 硅酸鹽學報. 2017(11)
[2]薄膜非晶硅/微晶硅疊層太陽電池的研究[J]. 薛俊明,麥耀華,趙穎,張德坤,韓建超,侯國付,朱鋒,張曉丹,耿新華. 太陽能學報. 2005(02)
[3]非晶硅太陽能電池研究現(xiàn)狀[J]. 吳建榮,杜丕一,韓高榮,壽瑾暉,張溪文,朱懿. 材料導報. 1999(02)
[4]光生伏特效應(yīng)[J]. 陳宜生,張立升. 物理通報. 1995(02)
博士論文
[1]鈣鈦礦太陽能電池的相關(guān)物理過程研究[D]. 劉洋.吉林大學 2019
碩士論文
[1]基于界面調(diào)控的高效率有機光伏電池研究[D]. 郭學文.華東師范大學 2019
[2]Cu2ZnSn（S,Se）4薄膜太陽電池吸收層的制備及器件優(yōu)化的研究[D]. 曾旸.深圳大學 2018
[3]大氣氛圍水相制備(Cu1-xMx)2ZnSn（S,Se）4電池材料[D]. 盧海洋.河南大學 2018
本文編號：2966876
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