本文選題：薄膜太陽電池　切入點(diǎn)：溶膠-凝膠法　出處：《河北大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：近幾年,銅銦鎵硒(CIGS)等化合物薄膜太陽電池由于可柔性化、易大面積生產(chǎn)且光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注。但由于CIGS材料中的III族元素銦與鎵地球中儲量少、價(jià)格昂貴,限制其未來的大規(guī)模應(yīng)用。銅鋅錫硫(CZTS)材料用比較廉價(jià)且儲量豐富的鋅與錫元素替代銦與鎵,從而大大降低成本,更適用于大規(guī)模應(yīng)用。CZTS具有與太陽光譜相匹配的禁帶寬度(1.5 eV)和在可見光范圍內(nèi)超過104 cm-1的吸收系數(shù),理論的光電轉(zhuǎn)換效率超過30%,是一種良好的吸收層材料。CZTS薄膜的制備有基于真空與非真空的多種方法,但真空方法的制備成本較高,而由聯(lián)氨溶液法制備的CZTS電池獲得了目前的最高效率12.6%。本論文主要采用一種低成本、高產(chǎn)出并且無毒環(huán)保的溶膠-凝膠法來制備高性能的CZTS薄膜,化學(xué)溶液法制備的氧化鋅納米線作為窗口層,納米粒子沉積法制備的硫化鎘作為緩沖層,制備了倒置結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜電池。垂直排列的納米陣列更有利于太陽電池中載流子的傳輸,從而大大降低電子空穴對的復(fù)合、提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。并通過X射線衍射(XRD)、拉曼光譜(Raman)、紫外可見光吸收(Abs)、掃描電子顯微鏡(SEM)、IV測試等測試手段研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、純度、帶隙、形貌以及電池器件的光伏性能;同樣采用溶膠-凝膠的方法在襯底Mo上旋涂制備CZTS前驅(qū)體薄膜,并通過在硫的氣氛中退火得到高質(zhì)量結(jié)晶的CZTS薄膜,由于高溫下CZTS易分解而產(chǎn)生二次相硫化鋅(ZnS),為了去除CZTS薄膜表面的二次相Zn S,選用一定濃度的鹽酸溶液進(jìn)行刻蝕處理。通過XRD、Raman、SEM、X射線熒光光譜分析儀(XRF)等測試手段表征了薄膜與器件的性能,主要獲得了如下結(jié)果:使用溶膠-凝膠法制備CZTS吸收層,化學(xué)水溶液法制備ZnO納米線,納米粒子沉積法制備CdS緩沖層,最終得到結(jié)構(gòu)為FTO/ZnO NWs@CdS/CZTS/Ag的倒置結(jié)構(gòu)的CZTS薄膜太陽電池,通過優(yōu)化CZTS吸收層的退火溫度,CdS緩沖層的厚度和氧化鋅的形貌等參數(shù),最終得到轉(zhuǎn)換效率高達(dá)2.27%的倒置結(jié)構(gòu)CZTS薄膜太陽電池。使用溶膠-凝膠法在Mo襯底上制備前驅(qū)體CZTS薄膜,在硫的氣氛中進(jìn)行退火以得到高質(zhì)量的結(jié)晶薄膜,在退火過程中施加一定的氣壓,抑制了錫元素的揮發(fā)并得到結(jié)晶性更好的薄膜;并且通過對不同退火溫度下制備的薄膜及電池器件進(jìn)行表征測試,隨著硫化溫度的升高薄膜結(jié)晶質(zhì)量在增加,晶粒尺寸變大,提高了CZTS薄膜太陽電池的開路電壓與短路電流,所制備的太陽電池的轉(zhuǎn)換效率隨著硫化溫度的升高先增加后降低,在溫度為580℃時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值2.74%。最后,通過采用325nm波長的激發(fā)激光對樣品進(jìn)行Raman測試得到紫外拉曼光譜,發(fā)現(xiàn)了二元雜相ZnS的特征拉曼峰,檢測出CZTS薄膜表面存在ZnS雜質(zhì),為了去除ZnS相,采用鹽酸溶液對硫化后的CZTS薄膜進(jìn)行刻蝕,通過對鹽酸溶液的濃度與刻蝕時(shí)間的優(yōu)化,得到在5%的鹽酸溶液中刻蝕5min時(shí)電池器件的光電性能最佳,最高效率為4.72%。
[Abstract]:In recent years, copper indium gallium selenide (CIGS) thin film solar cells due to compounds such as flexible, easy production of large area and high photoelectric conversion efficiency, has been widely concerned. But because the III elements in CIGS earth indium and gallium in the material less expensive, limit its large-scale application in the future the copper zinc tin sulfide (CZTS) zinc and tin indium and gallium instead of cheap and abundant reserves of materials, thereby greatly reducing the cost and more suitable for large-scale application of.CZTS band gap is matched with the solar spectrum (1.5 eV) and the absorption coefficient in the visible light range of more than 104 cm-1, the photoelectric the theoretical conversion efficiency of more than 30%, is a good material of the absorption layer of.CZTS thin films prepared by a variety of methods of vacuum and non vacuum based on vacuum method, but the preparation cost is higher, while the CZTS battery is prepared by hydrazine solution obtained at the most High efficiency 12.6%. this paper mainly uses a low cost, high output and non-toxic sol-gel method to CZTS thin films with high performance, chemical solution prepared by Zinc Oxide nanowires as the window layer, deposition of cadmium sulfide nanoparticles as a buffer layer of CZTS thin film solar cell inverted structure was prepared. Nano the vertical alignment of the array more suitable for transmission carrier in solar cell, thereby greatly reducing the recombination of electron hole pairs, improve photoelectric conversion efficiency of the battery. And through X ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy (Raman), ultraviolet visible light absorption (Abs), scanning electron microscopy (SEM), IV test methods to study the structure of the films, purity, bandgap, morphology and photovoltaic properties of solar cell devices; the same by the sol-gel method on the substrate of Mo spinning CZTS precursor thin films prepared by coating, and sulfur in the atmosphere back The fire to get high quality CZTS thin film crystal, due to the high temperature CZTS can decompose and produce two phase zinc sulfide (ZnS), to the surface of CZTS film two phase Zn removal of S hydrochloric acid solution with certain concentration of etching process. Through XRD, Raman, SEM, X ray fluorescence spectrum analyzer (XRF) were conducted to characterize the properties of thin films and devices, the main results obtained were as follows: the preparation of CZTS absorption layer using sol-gel method, chemical solution preparation of ZnO nanowires, nanoparticles deposition of CdS buffer layer, finally get the structure of CZTS thin film solar cell FTO/ZnO NWs@ CdS/CZTS/Ag inverted structure, through the optimization of CZTS the annealing temperature absorption layer, the thickness of CdS buffer layer and Zinc Oxide morphology parameters, finally get the inverted structure of CZTS thin film solar cell conversion efficiency as high as 2.27%. The sol-gel method used in Mo substrate preparation of precursor CZ TS films were annealed in sulfur atmosphere to obtain crystalline films of high quality, exert some pressure in the annealing process, inhibit the volatilization of tin and crystalline better; and through the different annealing temperature for film and battery device were characterized with the rise of temperature, curing the crystal quality of the films increased, the grain size and improve the open circuit voltage and short circuit current of CZTS thin film solar cells, the conversion efficiency of the solar cell prepared with increasing curing temperature first increased and then decreased, at the temperature of 580 DEG time electricity conversion efficiency reaches the maximum value of 2.74%. at last, through the laser excitation of Raman test the samples obtained by UV Raman spectroscopy using a wavelength of 325nm, found that the characteristic Raman peak of two yuan a phase of ZnS, to detect the presence of ZnS impurity CZTS film surface, in order to remove the ZnS phase with salt The sulfurized CZTS film was etched by acid solution. By optimizing the concentration and etching time of HCl solution, it was obtained that when the 5min was etched in 5% HCl solution, the photoelectric performance of the battery device was the best and the highest efficiency was 4.72%..

【學(xué)位授予單位】：河北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.42

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本文編號：1678557