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《吉林大学》 2017年 硕士论文
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CdS纳米薄膜的制备及其性能研究

冯菲  
【摘要】:碲化镉太阳能电池因其具有较高的理论转换效率、低成本、操作制备工艺简单以及容易工业的产业化等优势,使其成为最有发展的太阳能电池之一,因而备受人们的关注。在众多异质结太阳能电池中,例如碲化镉太阳能电池(CdS/Cd Te)、硫化铅(CdS/Pb S)太阳能电池和铜铟镓硒(CdS/Cu In Se2)太阳能电池等等,硫化镉(CdS)都承担窗口层的作用,碲化镉(Cd Te),硫化铅(Pb S)和铜铟镓硒(Cu In Se2)则作为光吸收层。其中CdS层的结晶质量及其与光吸收层所形成异质结的质量,在很大程度上决定着电池模块的光电转换效率。因此,高质量CdS薄膜的制备及其性能研究具有重要的意义。本文采用化学水浴沉积方法制备CdS纳米薄膜。首先,制备CdS薄膜以及研究制备过程中所存在的影响薄膜质量的因素,同时对CdS薄膜进行表征、光吸收和光电化学性能的研究;然后,对其进行Zn掺杂的研究以及对CdS薄膜的影响。主要的工作为:(1)以FTO为基底,采用化学水浴沉积方法,镉盐提供镉源,硫脲提供硫源,铵盐作为缓冲剂并且为镉源提供络合剂制备CdS薄膜。研究了在制备过程中化学水浴沉积温度和沉积时间对薄膜的影响,发现随着沉积时间延长CdS纳米颗粒变大,薄膜厚度增加,致密性增强,光吸收强度呈现增加的规律,短路电流密度呈现先增加后减小的规律。当沉积时间为105min时,CdS薄膜的短路电流密度最大,短路电流密度为1.15m A/cm2,开路电压为0.76V,光电化学转换效率η为0.323%,此时薄膜的厚度约为170nm。保持其他的沉积条件不变,并保持沉积时间为105min,改变沉积温度,发现随着沉积温度增加,CdS纳米颗粒数量增加,同时薄膜厚度增加,光吸收强度呈现增加的规律,短路电流密度呈现先增加后减小的规律。当沉积温度为80℃时,薄膜的短路电流密度最大,此时薄膜的短路电流密度为1.2m A/cm2,开路电压为0.75V,光电化学转换效率η为0.335%,此时薄膜的厚度约为180nm。这是因为随着沉积的时间增加以及沉积温度的增加,CdS纳米颗粒增大,薄膜的光吸收强度增加,从而产生更多光生电子。而且随着沉积时间和温度的增加,CdS薄膜致密性增强,使得颗粒全部覆盖在FTO表面,保护FTO不与电解液直接接触,降低了光生载流子的结合率,从而提高了电荷的收集的效率。同时,研究了热处理温度对薄膜质量的影响,通过XRD比对发现随着热处理温度的增加,薄膜的结晶性变好。(2)用Zn掺杂CdS薄膜,提高薄膜的光电化学性能以及CdS薄膜的稳定性。同样采用化学水浴沉积方法沉积CdS薄膜,研究发现Zn掺杂对薄膜质量有着重要的影响,Zn掺杂后薄膜的形貌和结构几乎没有变化,但是,相比于单纯的CdS薄膜,光吸收性能增强,光电性能变好,薄膜的短路电流密度为1.43m A/cm2,开路电压为0.9V,光电化学转换效率η为0.49%,薄膜的厚度约为180nm。而且通过I-t测试,与单纯的CdS相比,Zn掺杂的CdS薄膜的短路电流密度随时间变化不明显,说明Zn掺杂的CdS薄膜稳定性好于未掺杂的CdS薄膜。


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