收藏本站
《电子科技大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

VIA族化合物新能源材料掺杂效应的高通量实验研究

闫宗楷  
【摘要】:基于传统“试错”法的材料研究效率低下,无法满足当前科技发展对新材料的迫切需求。材料基因工程是当前材料科学发展的最前沿,其核心目标是融合发展材料计算、高通量实验和数据库等技术,实现材料研发效率的提升。其中,高通量实验技术是材料基因工程的重要基础,包括高通量材料制备和高通量材料表征两部分。其本质是通过提高单位时间的实验样品数量,实现材料研发周期的大幅缩短。目前高通量表征技术已发展较为完善,基于光学的检测方法可实现微纳米级别微区的材料表征,而基于非接触式探针的方法可以实现亚微米量级的材料表征。然而,高通量制备技术目前在实验通量、制备速度和覆盖的材料种类等方面仍有待提高。例如,发展较为成熟的高通量组合材料芯片技术对微区样品的成分精度、样品密度、热处理工艺仍然存在诸多局限,极大的限制了材料实验效率的进一步提升。其中,物理掩模阴影效应、多物理场耦合效应、以及叠层薄膜扩散不均匀等问题造成现有组合材料芯片制备的样品成分误差较大。随着化石能源带来的环境压力日益严重,发展面向太阳能、风能、锂电池等新型产能和储能技术的新能源材料成为了当前新能源技术发展的重要任务。在新能源材料中,很大比例是以氧化物、硫化物和硒化物为代表的VIA族化合物,因此研发具有优良性能的VIA族化合物能源材料就成为了当前的研究热点。目前,针对大多数氧化物、部分稳定的硫化物和硒化物的高通量实验方法已较为成熟,但是针对水氧敏感和热稳定性差的VIA族化合物材料的高通量实验研究还鲜有报道,主要受制于其对制备过程要求苛刻,如Li_2S-GeS_2-P_2S_5(LGPS)伪三元硫化物固态电解质材料体系、La系稀土氧化物材料体系等。本文针对VIA族化合物新能源材料的高通量研究需求,分别研发了基于化学水浴沉积、真空离子束溅射镀膜、串行真空磁控溅射镀膜和真空电子束蒸发的组合材料芯片制备技术,采用扫描X射线衍射和扫描微区阻抗测试等进行高通量检测表征,采用聚类分析(Cluster analysis)等方法对高通量实验数据进行了分析,并针对锑(Sb)掺杂CuIn_(0.6)Ga_(0.4)Se_2(CIGS)薄膜和锗(Ge)掺杂的Li_2S-P_2S_5(LPS)薄膜样品进行了高通量实验研究的演示验证。上述VIA族化合物材料体系具有热稳定性较差或水氧敏感性高等特点,具有一定代表性。常见氧化物体系亦可采用上述高通量实验技术进行研究。主要研究内容和创新点包括以下几个方面:1、研发面向敏感材料体系的新型高通量组合材料芯片制备技术。本文针对高通量组合材料芯片制备技术发展瓶颈,通过发展串行多靶磁控溅射方法、优化离子束溅射靶材与基片位置、设计实时溶液离子浓度反馈控制机构和调整多坩埚切换模块与基底相对位置等,分别实现磁控溅射、离子束溅射、化学水浴沉积和电子束蒸发的均匀大面积薄膜制备(不均匀性小于3%)。通过对靶材背磁场、水浴温度场、离子束束斑和电子束电磁场的物理场优化,实现了磁控溅射、离子束溅射、化学水浴沉积和电子束蒸发的稳定物理场分布。通过发展连续/分立掩模自动更换装置、连续掩模控制机构、基片自动提拉旋转控制机构和移动掩模与基片旋转模块等实现了磁控溅射、离子束溅射、化学水浴沉积和电子束蒸发的成分可控分布。在此基础上,研发了磁控溅射镀膜组合材料芯片制备技术、离子束溅射组合材料芯片制备技术、电子束蒸发组合材料芯片制备技术和化学水浴沉积组合材料芯片制备技术,分别实现了100步连续相图组合材料芯片、64×64分立样品组合材料芯片、最小步长25μm组合材料芯片和步长1 cm以上组合材料芯片的制备。此外,针对多层膜热处理过程中扩散-结晶过程的临界厚度和热处理工艺问题,以及材料计算对模型数据的高准确性需求,发展了一种梯度超晶格组合材料芯片制备工艺方法。2、基于高通量化学水浴沉积组合材料芯片制备技术,以不同含量锑(Sb)元素掺杂对CIGS晶粒生长动力学影响为例,发展面向热稳定性差VIA族化合物新能源材料的高通量研究方法。本文通过对比Sb掺杂前后、不同热处理温度和不同Sb_2S_3制备顺序样品的表征结果,对Sb掺杂的CIGS吸收层薄膜材料物相、微观结构和成分等进行了研究。验证了Mitzi等人发现的Sb掺杂可以降低CIGS吸收层薄膜的结晶温度,并观察到450℃以下热处理(低于CIGS熔化温度)CIGS晶粒尺寸明显长大的实际证据。为了进一步探究Sb掺杂对CIGS晶粒生长的促进作用机理,本文基于自主研发的高通量化学水浴组合材料芯片制备技术,制备了不同含量Sb掺杂的CIGS薄膜样品,结合XRD、XPS、EDS和SEM等常规表征方法,以及扫描微区阻抗测试技术等高通量表征方法,系统研究了不同含量Sb掺杂对CIGS晶粒生长的影响。并基于上述结果,提出了一种Sb_2Se_3准液相促进CIGS薄膜晶粒生长的动力学模型。3、基于高通量电子束蒸发组合材料芯片制备技术,以Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元硫化物固态电解质材料体系为例,发展面向水氧敏感VIA族化合物新能源材料的高通量研究方法。本文设计了基于三明治结构的电化学测试芯片,可满足Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元材料在大气和水溶液环境下的测试需求。本文基于高通量电子束蒸发组合材料芯片制备系统和电化学测试芯片,实现了Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元组合材料芯片的制备,结合相关高通量表征和聚类分析数据处理,对Li_2S-GeS_2-P_2S_5三元体系物相和阻抗分布进行了研究。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB34

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前5条
1 汪洪;向勇;项晓东;陈立泉;;材料基因组——材料研发新模式[J];科技导报;2015年10期
2 王海舟;汪洪;丁洪;项晓东;向勇;张晓琨;;材料的高通量制备与表征技术[J];科技导报;2015年10期
3 王薪;朱礼龙;方姣;刘军;戚海英;江亮;;基于“材料基因组工程”的3种方法在镍基高温合金中的应用[J];科技导报;2015年10期
4 赵继成;;材料基因组计划中的高通量实验方法[J];科学通报;2013年35期
5 高琛;鲍骏;罗震林;刘文汉;;组合材料学研究进展[J];物理化学学报;2006年07期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前9条
1 朱礼龙;戚海英;江亮;金展鹏;;镍基高温合金相关相图的高通量测定与热力学优化[J];中国有色金属学报;2015年11期
2 史昕;;美国材料基因组战略对我国新材料发展的启示[J];当代石油石化;2015年07期
3 王海舟;汪洪;丁洪;项晓东;向勇;张晓琨;;材料的高通量制备与表征技术[J];科技导报;2015年10期
4 王幸阳;杨小渝;迟学斌;;一种计算材料数据库系统[J];科研信息化技术与应用;2015年01期
5 朱静;鲁晓刚;王卓;;编者按[J];科学通报;2014年10期
6 张丁非;汤安;杨柳;李鹏程;;组合技术制备新型荧光粉的研究进展[J];化工新型材料;2011年09期
7 朱丽慧;朱烁金;刘茜;刘庆峰;王利;;组合材料芯片技术在Zn-Al合金镀层组分优选中的应用[J];上海大学学报(自然科学版);2008年05期
8 陈雷;陈士夫;程继贵;;组合化学法在筛选真空紫外荧光材料中的应用[J];物理化学学报;2008年05期
9 朱丽慧;朱硕金;刘茜;刘庆峰;王利;;组合材料芯片技术及其在金属材料研究中的应用[J];机械工程材料;2008年01期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王兴艳;宋显珠;;我国新材料产业自主创新能力建设反思[J];新材料产业;2014年04期
2 刘梓葵;;关于材料基因组的基本观点及展望[J];科学通报;2013年35期
3 赵继成;;材料基因组计划中的高通量实验方法[J];科学通报;2013年35期
4 罗倩华;李冬玲;马飞超;杨春;王海舟;;不锈钢连铸板坯横截面夹杂物的原位统计分布分析[J];冶金分析;2013年12期
5 李冬玲;高永;文志旻;王海舟;;优质碳素结构钢圆坯的原位统计分布表征与其微观组织及力学性能的相关性研究[J];矿冶;2013年S1期
6 袁良经;于雷;韩美;王海舟;;中低合金钢冲击断口表面的激光剥蚀电感耦合等离子体质谱原位统计分布分析[J];冶金分析;2010年06期
7 陈玉红;袁良经;王海舟;;球扁钢的激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱原位统计分布分析研究[J];冶金分析;2009年09期
8 高琛;罗震林;鲍骏;胡传圣;潘国强;范荣;;PbTiO_3-CoFe_2O_4磁电材料样品库的同步辐射X射线衍射结构分析[J];中国科学技术大学学报;2007年Z1期
9 陈雷,刘忠海,沈磊,鲍骏,刘文汉,高琛;在纯水中高能球磨稀土氧化物制备超细纳米悬浮液[J];物理化学学报;2004年07期
10 罗震林,付洋,耿斌,刘文汉,高琛,刘志国,李玉德;一种针对组合材料研究的高通量X射线结构、成分表征方法[J];核技术;2003年10期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙云;林舒平;李伟;程世清;张运祥;刘一鸣;刘玮;;碱金属掺杂对CIGS薄膜及电池器件的影响[J];Engineering;2017年04期
2 袁琦;茶丽梅;明文全;杨修波;李石勇;韩俊峰;;硒化温度对CIGS/Mo界面微观结构和化学成分的影响[J];材料导报;2018年11期
3 王波;文崇斌;高杰;朱刘;;CIGS薄膜制备工艺研究进展[J];广东化工;2018年17期
4 Kang Luo;Yulin Sun;Liyu Zhou;Fang Wang;Fang Wu;;Theoretical simulation of performances in CIGS thin-film solar cells with cadmiumfree buffer layer[J];Journal of Semiconductors;2017年08期
5 肖友鹏;;CIGS薄膜太阳电池柔性化[J];电源技术;2015年12期
6 万福成;汤富领;薛红涛;路文江;冯煜东;芮执元;;Effects of defect states on the performance of CuInGaSe_2 solar cells[J];Journal of Semiconductors;2014年02期
7 李凤岩;党向瑜;张力;刘芳芳;孙顶;何青;李长健;李宝璋;朱红兵;;Fabrication of high-quality ZnS buffer and its application in Cd-free CIGS solar cells[J];Optoelectronics Letters;2014年04期
8 鲁飞;刘小鱼;孙良成;王峰;刘树峰;李慧;;CIGS薄膜太阳能光伏产业发展现状[J];材料导报;2014年19期
9 马廷灿;;CIGS薄膜太阳电池中国专利态势分析[J];情报杂志;2013年09期
10 曹慧群;张晟颉;樊先平;胡居广;张一倩;罗仲宽;;CIGS粉体的合成与表征(英文)[J];稀有金属材料与工程;2012年S3期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 林義成;;Role of MoSe_2 on the CIGS thin film solar cell[A];第十二届海峡两岸薄膜科学与技术研讨会报告集[C];2016年
2 陈时友;袁振坤;龚新高;魏苏淮;;Na-Diffusion Enhanced p-type Conductivity in Cu(In,Ga)Se_2[A];第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集[C];2017年
3 张林睿;李桐;何永才;桂羊羊;宋雪梅;张永哲;严辉;;缺陷对CIGS薄膜电池特性的影响规律[A];TFC’17全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2017年
4 张嘉伟;李微;赵彦民;乔在祥;;低温一步法和三步法制备CIGS薄膜的形貌分析[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年
5 程轲;刘婧婧;黄玉茜;薛明;韩凯凯;胡俊霞;杜祖亮;;磁控溅射法制备CIGS吸收层及其光电特性[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第四十二分会:能源纳米材料物理化学[C];2016年
6 梁广兴;陈超铭;范平;;无硒化法直接制备CIGS薄膜及太阳电池研制[A];“广东省光学学会2013年学术交流大会”暨“粤港台光学界产学研合作交流大会”会议手册论文集[C];2013年
7 孙云;温国忠;龚晓波;张加友;郭淑华;郭虎森;刘明光;李长健;;制备CIGS薄膜过程中掺镓的若干问题[A];中国太阳能学会2001年学术会议论文摘要集[C];2001年
8 张力;何青;李凤岩;李宝璋;李长健;;空间用、高重量比功率柔性聚酰亚胺衬底CIGS薄膜太阳电池的制备方法[A];第三届空间材料及其应用技术学术交流会论文集[C];2011年
9 赵丹丹;乔青;武四新;;溶液法制备CIGS薄膜及其生长机理研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会:能源纳米科学与技术[C];2014年
10 刘杨;陈呈玉;刘玮;周志强;何青;刘芳芳;孙云;;MoO3背界面层在低温超薄CIGS太阳电池中的应用[A];TFC’17全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2017年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 姚金楠;CIGS薄膜量产关键在核心技术[N];中国能源报;2018年
2 本报记者 孙言梅 本报通讯员 陈维祝 张胜华 李景 刘晨 陈昂;以硅基新材料为代表的战新产业发展迅猛[N];安徽日报;2017年
3 迈哲华咨询公司太阳能高级分析师 孙拓;CIGS薄膜电池会是下一代领跑者吗[N];中国能源报;2013年
4 本报记者 吕望舒;绿色建筑成了能源生产者[N];中国环境报;2018年
5 本报记者 于南;铜铟镓硒(CIGS)获数百亿资本“加持” 中国神华等“大玩家”开始搅动光伏业[N];证券日报;2018年
6 本报记者 莫非;科技“小”镇的“大”创新[N];中国电力报;2018年
7 本报记者 吴可仲;凯盛光伏会否成为第二个汉能?[N];中国经营报;2015年
8 记者 刘思远 实习生 刘慧芸;台商来衡洽谈“新能源”合作[N];衡阳日报;2010年
9 仲新源;CIGS薄膜电池在电站全生命周期更具竞争优势[N];中国能源报;2016年
10 本报记者 赵晨;光伏技术路线之争:CIGS能否拯救薄膜?[N];中国电子报;2014年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 闫宗楷;VIA族化合物新能源材料掺杂效应的高通量实验研究[D];电子科技大学;2018年
2 连叶;[BMIm][BF_4]-EtOH体系电沉积CIGS薄膜的工艺与共沉积行为[D];哈尔滨工业大学;2018年
3 黄云翔;铜铟镓硒薄膜太阳电池关键制备工艺分析及性能测试[D];华南理工大学;2017年
4 孙雷;铜铟镓硒太阳能电池吸收层制备工艺及性质研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所);2016年
5 王应民;硅基和CIGS基ZnO薄膜生长及CIGS太阳能电池器件的研究[D];南昌大学;2006年
6 李博研;柔性不锈钢衬底铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池研究[D];南开大学;2012年
7 韩安军;超薄CIGS太阳电池及组件的研究[D];南开大学;2013年
8 龙飞;CIGS薄膜太阳能电池材料的制备、结构及性能研究[D];武汉理工大学;2009年
9 李晓龙;铜铟镓硒(CIGS)四元陶瓷靶材烧结制备及性能研究[D];清华大学;2015年
10 孔慧;单靶磁控溅射制备CIGS太阳能电池材料的研究[D];华东师范大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 袁琦;热处理温度和Na掺杂浓度对CIGS薄膜结构和性能的影响[D];湖南大学;2018年
2 靳冉冉;有序微纳结构的构筑及其在CIGS薄膜太阳能电池中的应用[D];河南大学;2018年
3 鲁章波;硫化镉缓冲层的优化设计及其在CIGS电池中的应用[D];河南大学;2018年
4 吴文文;Zn基缓冲层材料的制备及其在CIGS太阳电池中的应用[D];南京航空航天大学;2018年
5 张文;钼背电极和掺杂吸收层的制备及其CIGS太阳电池性能研究[D];安徽工程大学;2017年
6 唐磊;CIGS薄膜太阳能电池的制备和性能研究[D];福建师范大学;2015年
7 李超;磁控溅射制备CIGS薄膜太阳能电池的研究[D];河南师范大学;2011年
8 黄玉茜;四元靶材磁控溅射法制备CIGS吸收层材料及其器件构筑[D];河南大学;2016年
9 辛治军;柔性衬底CIGS太阳电池的制备[D];天津理工大学;2013年
10 何杰;脉冲激光沉积工艺对CIGS薄膜成分和微结构的影响[D];内蒙古大学;2011年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026