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《吉林大学》 2018年 博士论文
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碲化镉柔性太阳能电池的制备与性能研究

汪俊  
【摘要】:太阳能作为一种清洁的自然可再生能源,引起了人们的广泛关注。近几年来,太阳能的利用取得显著进展,尤其是太阳能电池方面。太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置,满足人类对电能的需求,具有清洁、方便的优点。在太阳能电池市场中,晶硅太阳能电池凭借其较高的效率以及成熟的生产工艺一直占据着垄断地位。但是由于晶硅太阳能电池较低的光吸收性能、抗冲击性较差和成本较高等缺点,这限制了硅晶太阳能电池的广泛应用。而薄膜太阳能电池由于性能稳定、制备方法简单、适用范围广等优势,在光伏领域逐渐兴起并引起越来越多的关注。其中碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池由于结构和材料简单、抗冲击性好、成本低、理论转化效率较高等优点成为众多薄膜太阳能电池中发展最快的一种。CdTe薄膜太阳能电池主要有两种结构,分别为底层配置和上层配置。其中底层配置的CdTe太阳能电池一般以聚酰亚胺薄膜以及金属等柔性基底为衬底,所制备的柔性太阳能电池轻便、易弯折,在建筑一体化光伏应用中具有较大的应用前景。然而与上层配置的CdTe薄膜太阳能电池相比,底层配置的电池转化效率并不是很理想,距离产业化生产还有很大的距离。因此如何进一步提高底层配置的CdTe柔性薄膜太阳能电池转换效率和进一步降低成本成为研究热点。本论文采用电沉积方法在金属镍(Ni)基底上制备了垂直基底直立生长的CdTe纳米棒阵列与均匀致密的CdTe薄膜,探究了沉积参数对CdTe的形貌与结构的影响并提出了其可能的生长机制。同时分别以所制得的CdTe纳米棒阵列与薄膜为基底,组装了三维与平面异质结柔性薄膜太阳能电池模块并详细地研究了其电池性能。主要的研究工作如下:(1)采用电沉积方法在金属Ni基底上制备垂直基底直立生长的CdTe纳米棒阵列。对CdTe纳米棒阵列的形貌、结构以及组成成分进行了表征。通过研究沉积电位、沉积时间、反应物浓度、pH值以及退火温度对CdTe纳米棒阵列形貌、结构以及组成成分的影响,提出其可能的生长机理。(2)采用电沉积方法在金属Ni基底上制备均匀致密的CdTe薄膜,对CdTe薄膜的形貌、结构、组成成分以及导电类型进行了表征。同时研究了柠檬酸钠浓度对CdTe薄膜形貌、结构、组成成分以及导电类型的影响。结果表明,随着柠檬酸钠浓度的增加,CdTe的形貌由棒状阵列逐渐变为平整致密薄膜,薄膜组成成分由富碲逐渐变为富镉,其导电类型也由p型转变为n型。当柠檬酸钠浓度为0.08 M时,在Ni基底上可制备出均匀致密、结晶性良好并且接近化学计量比的CdTe薄膜。总之,电沉积过程中柠檬酸钠的加入对薄膜的生长以及性能都有明显的影响,并且通过简单的调整添加剂的浓度就可以改变电沉积薄膜的导电类型,这也极大的丰富了电沉积方法的应用范围。(3)分别采用化学水浴沉积(CBD)方法、均相沉积方法以及射频(RF)磁控溅射方法在CdTe纳米棒阵列上沉积硫化镉(CdS)薄膜。对CdS薄膜在CdTe纳米棒上的生长情况以及CdS/CdTe异质结区的形成情况进行研究。与CBD方法相比较,均相沉积方法由于尿素的缓慢均匀水解,可以实现CdS缓慢均匀的释放到CdTe纳米棒之间。采用RF磁控溅射方法制备的CdS薄膜不但可以均匀包覆在CdTe纳米棒表面,而且与前两种方法所得到的CdS薄膜相比较,具有较好的结晶性,异质结区形成情况最佳。采用RF磁控溅射方法制备CdS时,所得的CdS/CdTe电池模块的性能最佳,短路电流密度为9.51 mA cm~(-2),开路电压为0.47 V,填充因子为0.56,光电转化效率为2.50%,这表明所制备的三维异质结柔性薄膜太阳能电池在光伏领域具有一定的应用潜力,并且通过进一步优化制备过程,电池的光电转换效率将会有较大的提升空间。(4)采用RF磁控溅射方法在CdTe薄膜上制备CdS窗口层,并对CdS的生长情况以及CdS/CdTe异质结区的形成情况进行研究。分别以柠檬酸钠浓度为0.07 M,0.08 M和0.09 M条件下制得的CdTe薄膜为基底。当采用柠檬酸钠浓度为0.08 M条件下制备的CdTe薄膜为基底时,所制得CdS薄膜均匀致密平整,并且CdS与CdTe之间结合性较好。对不同CdTe薄膜基底上制备的CdS/CdTe平面异质结柔性薄膜太阳能电池进行性能测试,当采用柠檬酸钠浓度为0.08 M条件下制备的CdTe薄膜为基底时,电池模块的效率为2.73%,其中短路电流密度、开路电压以及填充因子分别为10.46 mA cm~(-2),0.53 V,0.49。这表明所制备的CdTe薄膜在电池领域具有一定的应用潜力,此外大面积均匀致密CdTe薄膜的获得在柔性薄膜太阳能电池工业化生产中具有很大的应用价值。


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