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《武汉理工大学》 2010年
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太阳能电池CuInS_2薄膜和ZnS薄膜的制备与性能研究

张兴良  
【摘要】: CuInS2(CIS)作为一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型无机三元半导体化合物,是直接带隙的半导体,吸收系数较大,大约为104-105cm-1,其光学禁带宽度为1.50 eV左右,非常接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度1.45 eV。与CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太阳能电池材料相比,CuInS2不含任何有毒的成分,是一种非常具有发展前途的太阳能电池材料。 目前,CIGS基薄膜太阳能电池的制备多采用CdS薄膜作为缓冲层,但CdS的薄膜禁带宽度只有2.4 eV,对电池吸收层的短波响应有一定的影响,而且CdS中的Cd是有毒重金属,与之相应的安全措施也增大了工业化成本,CdS的使用也不利于环境保护。因此,研究和开发无镉CIS/CIGS太阳电池已成为全球研究此类电池的热点。ZnS是一种n型Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体化合物,ZnS薄膜因其对环境友好,宽光学带隙(3.5-3.8 eV),制备成本低廉,而成为替代CdS薄膜缓冲层的优选材料之一。 论文围绕CuInS2薄膜太阳能电池材料进行了相关研究。采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备了Mo背电极;采用了磁控溅射沉积铜铟合金预置膜,再进行N2保护下固态硫化热处理的方法制备铜铟硫太阳能电池吸收层材料;采用化学浴方法制备了替换CdS缓冲层的ZnS薄膜材料。深入分析了薄膜的制备工艺对薄膜的光学性能、物相结构、电学性能、表面形貌等的影响和相关机理。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、紫外可见光谱(UV-vis)等测试手段对样品的相关性能进行了测试和表征。主要研究结果如下: (1)采用磁控溅射法制备的Mo背电极与玻璃基片附着良好,电阻较低(3.2Ω/cm)。 (2)所制备的CuInS2薄膜表面平整、结构致密。实验结果表明,硫化热处理温度对CuInS2的晶相形成具有重要影响,500℃开始出现CuInS2相,550℃形成高质量结晶,并且CuInS2薄膜呈(103)面择优取向生长。Tauc法得到的CuInS2薄膜光学带隙随着热处理温度的上升而逐渐减小。在550℃硫化热处理6h后CuInS2薄膜的XRD图谱中出现了对应于黄铜矿结构的(103)、(220)、(312)CuInS2晶体的衍射峰,SEM图片显示晶体颗粒为片状,尺寸在1μm,光学带隙为1.5 eV,更适合作为CuInS2吸收层。 (3)化学浴法制备的ZnS薄膜为非晶薄膜,在沉积温度为80℃、沉积时间1 h的条件下所制备薄膜的厚度为60.7 nm,薄膜透过率超过85%,光学带隙在3.8-3.9 eV范围之间变化。化学浴法制备的ZnS薄膜适合CIS/CIGS太阳电池中替换CdS缓冲层材料。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM914.4

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