【摘要】：近年來,社會經(jīng)濟的快速發(fā)展對能源的需求及其利用方式提出了更高的要求。常規(guī)能源儲量有限,且在利用過程中會對人類社會環(huán)境造成嚴重污染,因此亟需尋找新型能源來代替常規(guī)的礦物能源。太陽光一小時輻射到地球的能量相當于地球一年的消耗量且無污染,因此,太陽能被認為是一種理想的新型清潔能源。在種類繁多的薄膜太陽能電池中,CIGS太陽能電池被認為是最有前景的高效太陽能光伏技術(shù)之一。其主要優(yōu)勢在于:穩(wěn)定性好、抗輻照能力強、易于大面積生產(chǎn)且可制成單片集成互聯(lián)式組件。無論是單個CIGS電池還是組件都達到了較高的效率。CIGS電池的核心結(jié)構(gòu)是由CIGS吸收層和CdS緩沖層組成的P-N異質(zhì)結(jié)。CdS作為緩沖層在CIGS器件中起著至關(guān)重要的作用,當CdS與CIGS的導(dǎo)帶失配((35)Ec)過大時,CIGS光生電子的收集將會受到阻礙,短路電流密度和填充因子會迅速降低;另一方面,當(35)Ec足夠負時,在界面處的CIGS的反型將會被消除,界面態(tài)的復(fù)合對開路電壓也會造成不利影響�，F(xiàn)階段,化學浴沉積(CBD)是制備CdS緩沖層最常用的方法和技術(shù),CBD-CdS薄膜的可控生長很大程度決定著成膜的質(zhì)量,并最終影響和決定著整個CIGS器件的性能。高質(zhì)量的硫化鎘緩沖層對CIGS的P-N異質(zhì)結(jié)起著至關(guān)重要的作用。目前在CIGS薄膜光伏器件中CdS緩沖層的制備主要是采用CBD沉積的方式,一方面因其化學法的特性,在其沉積過程中存在諸多的復(fù)雜可變因素,其沉積工藝和技術(shù)尚需進一步優(yōu)化提升;另一方面,盡管CBD-CdS是目前效率最高的一種緩沖層沉積方式,但由于在CBD沉積過程中,大量的CdS在溶液中以均質(zhì)成核的方式形成沉淀,造成大量的CdS浪費和嚴重的Cd污染,除此之外,CdS薄膜較小的帶隙也阻止了部分近紫外光穿透到CIGS吸收層,使得CIGS器件在近紫外光區(qū)性能較差。為了解決上述兩個問題,我們首先開展了傳統(tǒng)CBD-CdS緩沖層的探索和優(yōu)化,詳細研究了鎘源濃度、沉積時間以及后期退火處理對器件性能的影響;在上述研究工作的基礎(chǔ)上,我們開展了新型緩沖層的探索和研究,制備了一維結(jié)構(gòu)的CdS納米線和CdS/Cd(OH)_2核殼納米線,應(yīng)用在CIGS光伏器件中作為新型的納米結(jié)構(gòu)緩沖層,為尋找新的低污染、高效的新型緩沖層提供了研究思路和方法。本論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下:1、化學浴沉積CdS緩沖層的優(yōu)化及其在CIGS電池中的應(yīng)用。該部分研究工作詳細探索了醋酸鎘濃度對CdS薄膜質(zhì)量的影響。其形貌、結(jié)晶性以及光學性能與鎘源的濃度密切相關(guān),當醋酸鎘濃度為0.052 M時薄膜性能和質(zhì)量較好,將此條件下的CdS薄膜應(yīng)用到CIGS電池中,獲得了11.42%的光電轉(zhuǎn)換效率。為了進一步改善緩沖層的質(zhì)量和性能,我們對醋酸鎘濃度為0.052 M的CdS薄膜進行后期熱退火處理,當退火溫度為180℃時,得益于CdS緩沖層透過率的提高,CIGS薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率也有所提升,達到12.57%。2、CdS納米線緩沖層的水熱合成及其在CIGS電池中的應(yīng)用。通過簡單的水熱合成法成功制備出了CdS納米線,且無使用任何模版,相對其他方法來說,有效降低了制備成本。同時,系統(tǒng)研究了合成條件對CdS納米線的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學成份的影響。通過優(yōu)化,我們成功制備了直徑為30 nm,長度可達數(shù)微米,分散性好且產(chǎn)量高的CdS納米線。與此同時,CdS納米線中Cd/S的原子比例接近1,符合理想的化學計量比。我們將制備的CdS納米線應(yīng)用于CIGS光伏器件中,并研究了旋涂次數(shù)(緩沖層厚度)對器件性能的影響。研究結(jié)果表明,當旋涂次數(shù)為16次時,獲得了最佳厚度的CdS納米線緩沖層,電池效率最高值可達3.30%。然而,目前制備的器件效率偏低,仍然需要進一步優(yōu)化其合成方法來改善器件性能。3、超長CdS/Cd(OH)_2核殼納米線的制備及其在CIGS太陽能電池中的應(yīng)用。首先通過簡單的水熱方法合成Cd(OH)_2納米線,然后通過離子交換的方法在Cd(OH)_2表面生成CdS殼層,從而獲得CdS/Cd(OH)_2核殼納米線。我們系統(tǒng)研究了Cd(OH)_2和CdS/Cd(OH)_2納米線的結(jié)構(gòu)、表面形貌和化學成分。為了探究納米線緩沖層的厚度對CIGS太陽能電池的影響,將CdS/Cd(OH)_2核殼納米線以不同的旋涂次數(shù)旋涂到CIGS吸收層上。當旋涂28次時,納米線緩沖層厚度較合適,電池器件的效率可達到5.51%。為了進一步消除納米線異質(zhì)結(jié)的界面缺陷并提高電池器件的性能,對CdS/Cd(OH)_2核殼納米線進行退火處理。當退火溫度達到140oC時,電池器件的效率可提高到7.00%,接近同等條件下CBD-CdS緩沖層的光電轉(zhuǎn)換效率。值得提出的是,CdS/Cd(OH)_2納米線器件的短路電流密度超過了CBD-CdS器件的短路電流密度,主要歸因于CdS/Cd(OH)_2納米線帶隙較寬且?guī)犊烧{(diào),較大程度的減少了緩沖層對光子的吸收,有利于CIGS器件光生載流子的產(chǎn)生。
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4
【圖文】：

圖 1-1 P-N 結(jié)的形成圖 圖 1-2 在 P-N 結(jié)上施加一個電壓1.2.2 太陽能電池的分類目前，相繼出現(xiàn)了各種太陽能電池，種類繁多且各具特色。由產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，將太陽能電池大概分為三類：硅系太陽能電池、薄膜類太陽能電池以及其他新型太陽能電池。(1) 硅系太陽能電池硅由于具有良好的材料性能和成熟的應(yīng)用技術(shù)，因而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件中。硅太陽能電池具有諸多優(yōu)點，例如豐富的原材料供應(yīng)、低毒性和可擴展的電池和模塊制造技術(shù)。正因如此，世界光伏器件裝置數(shù)量急劇增加，并且有可能在未來很長一段時間內(nèi)將繼續(xù)保持同樣的趨勢。硅系太陽能電池包括非晶硅太陽能電池(a-Si)、單晶硅太陽能電池(sc-Si)以及多晶硅太陽能電池(mc-Si)。sc-Si 電池在硅系太陽能電池中是技術(shù)最為成熟且轉(zhuǎn)換效率最高的電池。sc-Si 的每

圖 1-1 P-N 結(jié)的形成圖 圖 1-2 在 P-N 結(jié)上施加一個電壓1.2.2 太陽能電池的分類目前，相繼出現(xiàn)了各種太陽能電池，種類繁多且各具特色。由產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，將太陽能電池大概分為三類：硅系太陽能電池、薄膜類太陽能電池以及其他新型太陽能電池。(1) 硅系太陽能電池硅由于具有良好的材料性能和成熟的應(yīng)用技術(shù)，因而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件中。硅太陽能電池具有諸多優(yōu)點，例如豐富的原材料供應(yīng)、低毒性和可擴展的電池和模塊制造技術(shù)。正因如此，世界光伏器件裝置數(shù)量急劇增加，并且有可能在未來很長一段時間內(nèi)將繼續(xù)保持同樣的趨勢。硅系太陽能電池包括非晶硅太陽能電池(a-Si)、單晶硅太陽能電池(sc-Si)以及多晶硅太陽能電池(mc-Si)。sc-Si 電池在硅系太陽能電池中是技術(shù)最為成熟且轉(zhuǎn)換效率最高的電池。sc-Si 的每

硫化鎘緩沖層的優(yōu)化設(shè)計及其在 CIGS 電池中的應(yīng)用非常高的光吸收系數(shù)，對光生載流子的產(chǎn)生非常有幫助。黃銅礦作為直接帶隙的 p 型半導(dǎo)體材料，具有良好的光學特性，使其非常適合應(yīng)光電器件中。黃銅礦的名字來源于 CuFeSe2礦物，I III VI2族三元黃銅礦結(jié)構(gòu)如圖示。相對應(yīng)的三元黃銅礦結(jié)構(gòu)的晶體參數(shù)匯總在表 1-3 中。CIGS 是四面體配位的體材料，在 CuInxGa1-xSe2體系中，晶格常數(shù) a 和 c 被認為與 x 成線性關(guān)系，當元素滿足 x ≈0.8 時，可獲得 c=2a 的理想比值[33, 34]。

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