本文關(guān)鍵詞：硫化物半導(dǎo)體材料的制備及性能研究

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【摘要】：硫化物半導(dǎo)體材料是一種非常重要的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料,有著非常獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于光催化、光電二極管、光導(dǎo)探測(cè)器、太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)能選擇性涂料以及傳感器等方面,是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。本文以Cu2ZnSnS4(CZTS), ZnIn2S4 (ZIS), SnS三種硫化物半導(dǎo)體材料為研究對(duì)象,旨在采用溶劑熱法,水熱法,電化學(xué)沉積法制備出具有特殊形貌結(jié)構(gòu)的薄膜,并研究其形成機(jī)理及潛在應(yīng)用。本文研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：1.采用溶劑熱法,以PEG-400為溶劑及結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,FTO導(dǎo)電玻璃為基底,在反應(yīng)溫度為180℃,反應(yīng)時(shí)間為22 h的條件下制備了帶隙值為1.62 eV的p型CZTS納米蟲(chóng)薄膜,以該薄膜組成的光電化學(xué)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為1.18%,研究了不同反應(yīng)條件對(duì)薄膜的影響,結(jié)果表明：反應(yīng)溫度越高,薄膜的結(jié)晶性越好,但過(guò)高的反應(yīng)溫度(≥190℃),會(huì)產(chǎn)生ZnS雜相；延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于提高薄膜的結(jié)晶性,同時(shí)也可以使納米蟲(chóng)結(jié)構(gòu)變得更加精細(xì),但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(22 h)會(huì)導(dǎo)致薄膜脫落；分別以PEG-400,PEG-400/乙醇混合劑,乙醇為溶劑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PEG-400是形成納米蟲(chóng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。2.采用水熱法,以氯化鋅為鋅源,氯化銦為銦源,硫脲為硫源,蒸餾水為溶劑,成功在FTO導(dǎo)電玻璃基底上制備出了致密均勻的ZIS薄膜,研究了不同反應(yīng)條件對(duì)薄膜的影響,結(jié)果表明：反應(yīng)溫度對(duì)薄膜的純度影響較大,反應(yīng)溫度過(guò)低(140℃),產(chǎn)物容易產(chǎn)生In(OH)3雜相,反應(yīng)溫度過(guò)高(≥170℃),產(chǎn)物中會(huì)出現(xiàn)ZnS雜相,薄膜中納米片厚度隨反應(yīng)溫度的升高而變厚,薄膜的禁帶寬度隨溫度升高而增加,帶隙值處于2.3-2.49 eV,薄膜的可見(jiàn)光發(fā)射峰強(qiáng)度隨溫度的提升呈先減弱后增強(qiáng)趨勢(shì),最佳反應(yīng)溫度為160℃；不同硫源制備的薄膜形貌不同,以硫代乙酰胺和半胱氨酸為硫源時(shí)得到的薄膜形貌分別為大小均一的米粒狀顆粒和蜂窩狀結(jié)構(gòu)；隨反應(yīng)物濃度增加,薄膜載流子濃度呈先增后減趨勢(shì),濃度為C0時(shí)薄膜的載流子濃度最高,為6.70x1019cm-3,此外,反應(yīng)物濃度會(huì)影響薄膜形貌,濃度為3/2 C0時(shí),產(chǎn)物中出現(xiàn)新穎的玫瑰花狀結(jié)構(gòu)。3.采用電化學(xué)沉積法,以氯化亞錫為錫源,硫代硫酸鈉為硫源,成功制備致密均勻的灰色SnS薄膜,研究了不同沉積條件對(duì)薄膜的影響,結(jié)果表明,薄膜的結(jié)晶性及顆粒尺寸隨沉積電位負(fù)向增大(-0.7 V,-0.8 V,-0.9 V,-1.0 V)而增強(qiáng),但沉積電位過(guò)大,電沉積體系中析氫嚴(yán)重,薄膜容易出現(xiàn)孔洞；不同沉積電位沉積的薄膜組成的光電化學(xué)電池轉(zhuǎn)換效率隨沉積電位負(fù)向增大而升高,最高為0.29%；沉積電位為-1.0 V時(shí)沉積的薄膜載流子濃度最高,為5.7×1021cm-3,此外,不同沉積電位沉積的薄膜帶隙值處于1.32-1.41 eV,非常適合應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域；SnS薄膜的純度受電解液中Sn2+/S2O32的濃度比影響,當(dāng)Sn2+/S2O32-的濃度比為1：1時(shí),得到的薄膜成分為單質(zhì)錫。
【關(guān)鍵詞】：硫化物 半導(dǎo)體材料 溶劑熱法 水熱法 電化學(xué)沉積法 Cu_2ZnSnS_4薄膜 ZnIn_2S_4薄膜 SnS薄膜
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O649
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-29
• 1.1 課題研究背景12
• 1.2 硫化物半導(dǎo)體材料的性質(zhì)及應(yīng)用12-27
• 1.2.1 Cu_2ZnSnS_4材料的研究進(jìn)展13-19
• 1.2.2 ZnIn_2S_4材料的研究進(jìn)展19-24
• 1.2.3 SnS材料的研究進(jìn)展24-27
• 1.3 論文選題及主要內(nèi)容27-29
• 第二章 溶劑熱法制備CZTS納米蟲(chóng)薄膜及性能研究29-45
• 2.1 引言29
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分29-32
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備29-30
• 2.2.2 CZTS薄膜的制備步驟30-31
• 2.2.3 測(cè)試表征31-32
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析32-43
• 2.3.1 薄膜的物相成分分析32-35
• 2.3.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜形貌的影響35-37
• 2.3.3 溶劑對(duì)薄膜形貌的影響37-38
• 2.3.4 反應(yīng)物濃度對(duì)薄膜成分的影響38-39
• 2.3.5 薄膜紅外光譜分析39
• 2.3.6 薄膜光學(xué)性能分析39-40
• 2.3.7 薄膜電學(xué)性能分析40-42
• 2.3.8 溶劑熱法制備CZTS納米蟲(chóng)薄膜的機(jī)理分析42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-45
• 第三章 水熱法制備ZnIn_2S_4薄膜及性能研究45-64
• 3.1 引言45
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備45-46
• 3.2.2 ZnIn_2S_4薄膜的制備步驟46
• 3.2.3 測(cè)試與表征46
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析46-63
• 3.3.1 薄膜的物相成分結(jié)構(gòu)和形貌分析46-50
• 3.3.2 反應(yīng)溫度對(duì)薄膜的影響50-54
• 3.3.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜的影響54-56
• 3.3.4 硫脲含量對(duì)薄膜的影響56-58
• 3.3.5 不同硫源對(duì)薄膜的影響58-59
• 3.3.6 反應(yīng)物濃度對(duì)薄膜的影響59-62
• 3.3.7 水熱法制備ZIS薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理分析62-63
• 3.4 本章小結(jié)63-64
• 第四章 電化學(xué)沉積SnS薄膜及性能研究64-77
• 4.1 引言64
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分64-65
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備64-65
• 4.2.2 SnS薄膜的制備步驟65
• 4.2.3 測(cè)試與表征65
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析65-75
• 4.3.1 沉積電位對(duì)薄膜的影響65-71
• 4.3.2 Sn~(2+)/S_2O_3~(2-)值對(duì)薄膜的影響71-73
• 4.3.3 沉積溫度對(duì)薄膜形貌的影響73-74
• 4.3.4 電化學(xué)沉積法制備SnS薄膜的形成機(jī)理分析74-75
• 4.4 本章小結(jié)75-77
• 第五章 結(jié)論及展望77-79
• 結(jié)論77-78
• 展望78-79
• 致謝79-80
• 參考文獻(xiàn)80-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文92

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