顆粒硫化法制備硫化物薄膜及其光伏應(yīng)用.pdf

1、新能源是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的重要支柱和希望。其中，太陽(yáng)能以其無(wú)污染、無(wú)噪音和來(lái)源穩(wěn)定成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。特別是太陽(yáng)能發(fā)電(光伏)技術(shù)，可直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但占世界能源消耗的比例仍然很低，高成本是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的主要原因。
　　 光伏產(chǎn)業(yè)中目前晶體硅太陽(yáng)電池占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額，這主要是因?yàn)槠渚哂懈咝屎透叻€(wěn)定性。而從未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，薄膜太陽(yáng)電池?zé)o疑具有更大的降低成

2、本的潛力。特別是硫?qū)倩衔镱愄?yáng)電池，如硫銦銅(CuInS2)和一硫化亞錫(SnS)。這兩種化合物都是直接帶隙材料，其吸收系數(shù)都高達(dá)105cm-1，可以制備成很薄的光伏吸收層，大幅節(jié)省材料；其禁帶寬度與太陽(yáng)光光譜匹配比較好，具有較高的理論轉(zhuǎn)化效率；此外，硫化物原材料來(lái)源豐富，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。但是，目前采用的高真空制備工藝難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高產(chǎn)率高穩(wěn)定性的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，制約了薄膜太陽(yáng)電池的大規(guī)模應(yīng)用。非真空法特別是顆粒墨水印刷法是近年來(lái)人們

3、廣泛關(guān)注的一種先進(jìn)薄膜制備方法，具有高速，大面積和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用于硫?qū)俦∧ぬ?yáng)電池材料制備的研究剛剛起步，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
　　 本論文在廣泛調(diào)研前人基礎(chǔ)上，使用金屬墨水硫化法制備出了這些化合物薄膜。首先，制備出金屬顆粒并配制成墨水，滴注形成前驅(qū)體薄膜，然后在硫氣氛下進(jìn)行快速熱處理(RTP)，制備出了光伏吸收層CuInS2、SnS和可以充當(dāng)銅銦鎵硒薄膜(CIGS)電池緩沖層的In2S3薄膜，并詳細(xì)研究了

4、熱處理工藝對(duì)制備出的薄膜的影響。文章中使用了掃描電鏡、X射線衍射、拉曼光譜、光譜探測(cè)分析和霍爾測(cè)試等手段對(duì)制備出的薄膜進(jìn)行了表征和分析，取得了以下成果：
　　 1.借助于空氣熱處理，硫化制備出了大晶粒、致密的CuInS2薄膜。首先，使用化學(xué)還原法合成出Cu－In金屬合金顆粒，尺寸在幾十納米左右。加入適量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和酒精制備成墨水，使用滴注的方法涂覆在襯底上。最初，將制備出的前驅(qū)體薄膜直接在H2S氣氛下熱處理，得到

5、的CuInS2晶粒尺寸非常小。因此，在硫化之前，我們對(duì)前驅(qū)體薄膜進(jìn)行了350℃空氣熱處理以去除前驅(qū)體薄膜中的有機(jī)物，再在H2S氣氛下硫化，發(fā)現(xiàn)隨硫化溫度升高，制備出的CuInS2薄膜晶粒尺寸顯著增加，在550℃下硫化得到了致密的p型CuInS2薄膜。最后，又對(duì)不同硫化時(shí)間、溫度、氣壓下制備的CuInS2薄膜進(jìn)行了分析。
　　 2.使用標(biāo)準(zhǔn)的CIGS電池制備工藝制備出了小型的太陽(yáng)電池元器件。首先，在制備出的CuInS2薄膜上用水浴

6、法沉積一層幾十納米厚的CdS緩沖層；接著，使用磁控濺射的方法沉積窗口層本征氧化鋅；在其上又濺射了一層ITO透明導(dǎo)導(dǎo)電薄膜做平面電極，滴注碳漿或者銀漿做點(diǎn)電極。最后，制備出了0.5×0.5 cm2小型元器件，其開(kāi)路電壓為240 mV，短路電流0.2 mA。
　　 3.薄膜光伏吸收層SnS的制備。在多元醇溶液中，使用化學(xué)還原法制備出Sn金屬顆粒，加入適當(dāng)?shù)腜VP和酒精制成墨水，滴注在襯底上制備出金屬前驅(qū)體薄膜。在180℃和200℃下

7、硫化制備出了單相的SnS薄膜，其禁帶寬度在1.29－1.31 eV之間，和太陽(yáng)光譜相匹配，適合做光伏吸收層，不過(guò)由于熱處理溫度較低，制備出的薄膜晶粒較小。嘗試在高溫下硫化，但是會(huì)出現(xiàn)雜相SnS2相。最后，我們制備出了SnS/TiO2異質(zhì)結(jié)，有很好的整流效應(yīng)。
　　 4.In2S3薄膜的制備。金屬前驅(qū)體薄膜制備方法和Sn金屬顆粒薄膜相同。然后，將制備出的In前驅(qū)體薄膜在H2S氣氛下450℃和500℃熱處理，制備出了光電性能較好的β