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基于液相合成的多元硫化物薄膜太阳能电池研究; Study on Thin-Film Solar Cells Based on Solution Synthesized of Multicomponent Sulfides
张党文
Subtype硕士
Thesis Advisor武晓峰
2015-03
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline化学工程
Keyword多元硫化物 喷墨打印 薄膜太阳能电池
Abstract太阳能以其资源丰富、清洁、高效的优势在解决能源危机、环境污染,实现人类可持续发展方面有着非常大的应用潜力。目前制约太阳能光伏产业的一个重要因素是占主要市场的硅电池成本居高不下。多元硫化物因具备较高的吸光系数,与太阳能光谱匹配的禁带宽度,且元素储量丰富,绿色环保等一系列无可比拟的优势,是制备高效率、低成本太阳能电池的理想吸收层材料。 本文以低成本硫化物薄膜电池的制备为目标,用一种简易的、具有普适性的溶液法合成了一系列禁带宽度覆盖整个可见光区至近红外光区的多元硫化物纳米晶,并用喷墨打印这种可视化的直写技术进行吸收层的沉积,从材料制备和成膜工艺两个角度最大程度地提高了目标产物的生成率和利用率。同时对电池性能与纳米晶的组成、结构及电池制备工艺参数之间的关系进行了理论探讨和分析,为低成本、绿色、高效率薄膜电池的工业化应用提供了思路。具体研究内容及结果如下: (1)单分散CuInSx纳米晶的可控宏量制备 以十八烯/十二烷基硫醇为液相体系,油酸、油胺为表面配位剂,通过调节时间,前驱体比例以及温度等,实现了CuInSx纳米晶尺寸,形貌,晶型和禁带宽度的调控。以加快成核速率为调节手段,实现了3 nm~7 nm范围内小尺寸CuInSx纳米晶的制备。以一定比例的油胺/油酸混合溶剂为配体,在二者的协同或竞争作用下得到了各种各向同性或各向异性的形貌结构。温度作为调控纳米晶晶型的手段,当反应温度为320oC高温时,制备得到了各向同性生长的热力学稳定黄铜矿球形结构;反应温度为180oC时,得到了动力学稳定闪锌矿六边形结构。波尔激子尺寸附近的纳米晶在量子限域效作用下表现出禁带宽度随尺寸的可调性,实现了小尺寸CuInSx纳米晶禁带宽度在1.7 eV~3.6 eV范围内的调控。Cu/In 作为禁带宽度的另一种调控手段,对带隙的调节范围相对较小,为1.55 eV~2.65 eV。当Cu/In为1.2/1时产物的化学计量比符合1/1/2,且XPS谱图表明产物为纯净的三元相。实验规模放大十倍后产率仍能达到85%以上,产量足够喷墨打印制备400个有效面积为1.2 cm2的太阳电池吸收层薄膜。 (2)CuInSx纳米结构的调控和单分散多元硫化物纳米晶的制备 将十八烯/十二烷基硫醇/油酸+油胺体系成功推广到多元硫化物纳米晶的制备和调控当中。以配体比例和时间为调控参数,制备得到了禁带宽度在2.1 eV~3.5 eV范围内的类三角形AgInSx纳米晶。以温度和时间为调节手段,制备得到了带隙在2.4 eV~2.5 eV范围内的闪锌矿和纤维锌矿CuxSnSy,以及带隙宽度在1.7 eV~1.9 eV之间的锌黄锡矿CuxZnSnSy纳米晶。以阳极氧化法制备的AAO为模板,在十二硫醇体系中制备得到了直径为0.5 nm左右的CuInSx纳米线簇。用热注入法制备得到了CuInS2@ZnS纳米晶核壳结构。并用溶剂热调控反应温度和时间,制备得到了微米尺度的花朵状CuInSx。CuS作为中间体在反应过程中以球形颗粒的形式存在。组装成花瓣的CuInSx纳米颗粒有一个从小到大的成长过程。 (3)Ink-jet喷墨打印制备致密的吸收层薄膜 以反馈电压和闪频灯的延迟时间为调节参数,得到尺寸均一,下落速率相同的液滴。以直径为40 μm的喷头为打印工具,在延迟时间为230 μs时实现了CuInS2喷墨液滴的成型调控。高沸点溶剂的掺入,改变了溶剂的表面张力和接触角,补偿了边缘低沸点溶剂挥发造成的溶质沉积。当甲苯与1-十二硫醇的体积比为10/3时,喷墨薄膜的咖啡环效应得到了很好的克服。喷墨间隙的低温加热有利于纳米晶在基底上的自组装。XRD偏移结果表明,硒化是一个Se原子替代S原子的过程,该工艺增大了薄膜中纳米晶的晶胞尺寸,填补了晶粒间的空隙,同时可将吸收层薄膜的带隙调整到理想禁带宽度范围内。 (4)纳米晶物性特征对电池效率的影响 以前期制备的CuInSx墨水为研究对象进行电池制备,发现六边形纳米晶因在成膜时形成了天然的电子传输网络,加快了载流子的输送,电池效率达到4.51%,三角形纳米晶电池效率为4.09%,球形相对最低为0.81%。禁带宽度对电池效率的影响集中在理想禁带宽度范围内(1.2 eV~1.7 eV)。开路电压和电池效率随禁带宽度增大而增大,禁带宽度为1.6 eV时,电池光电转化效率达到1.93%。电池转化效率随着Cu/In的减小而减小,当Cu/In为1.2/1时光电转化效率相对最高,达到0.96%。以CVD制备的ZnO阵列代替溅射ZnO薄膜作为窗口层组装得到了Glass/ITO/ZnO(nano rods)/CuInS2/Mo/Al结构的薄膜电池,转化效率为0.98%。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20304
Collection研究所(批量导入)
Recommended Citation
GB/T 7714
张党文. 基于液相合成的多元硫化物薄膜太阳能电池研究, Study on Thin-Film Solar Cells Based on Solution Synthesized of Multicomponent Sulfides[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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