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机械合金化法研制铜铟硒类光伏粉体材料

武素梅  
【摘要】:太阳能是人类取之不尽用之不竭的清洁能源,是各种可再生能源中最重要的能源。太阳能光伏发电是近些年来太阳能应用中发展最快、最具活力的研究领域。与目前广泛采用的硅太阳能电池相比,铜铟硒薄膜太阳能电池具有光电转化效率高、性能稳定、空间抗辐射性能强等优点,在当前的光伏领域备受关注。 铜铟硒(CuInSe2)中加入少量Al和S替代部分贵重金属In和有毒的Se,一方面可以降低太阳能电池的材料成本,另一方面可以调节CuInSe2材料的带隙,使其能更充分地利用太阳能辐射。目前,铜铟硒类材料多在高真空条件下高温熔融制备,耗费时间长,成本较高。本文以铜、铟、铝、硫和硒单质粉末为原料,采用高效的机械合金化法制备了CuInSe、Cu(In,Al)Se2、CuIn(S,Se)2和Cu(In,Al)(S,Se)2光伏粉体材料。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)等微观分析手段对产物的结构、形貌和成分进行了研究,具体研究内容如下: 采用手工研磨、滚动球磨和行星球磨三种不同的机械合金化方式对Cu、In、Se混合粉末进研磨或球磨,发现经过一定时间的研磨和行星球磨可以制备出CuInSe2粉体;研究了研磨和行星球磨过程中Cu-In-Se体系的机械合金化过程。研究表明,在机械合金化过程中发生了机械力诱导自蔓延反应(MSR)。用高分辨透射电镜研究了自蔓延过程中产生的红色烟雾,发现它是由反应中硒挥发形成的;系统地研究了球磨机转速、球磨时间、过程控制剂和球料比对Cu-In-Se体系球磨产物的结构、形貌和成分的影响,制备出了符合化学计量比的CuInSe2粉体,产物的粒径在100nm-3μm范围内。 采用机械合金化法制备了不同Al含量和S含量的Cu(In,Al)Se2、CuIn(S,Se)2和Cu(In,Al)(S,Se)2化合物粉体材料。用XRD研究了Al和S含量的变化对球磨产物的晶格常数的影响。将机械合金化法制备的粉体材料压块并用四探针测试仪检测了其电阻率,研究了Al含量和S含量对Cu(In,Al)Se2材料和CuIn(S,Se)2材料的电阻率的影响。用热探针原理检测了铜铟硒类块状材料的导电类型。 研究了机械力诱导自蔓延反应制备铜铟硒类粉体材料的机理。对Cu-In-Se和Cu-In-S体系进行了热力学计算,分析了相关体系的自蔓延反应。计算了Cu-In-Se、Cu-In-S和Cu-In-S-Se体系的自蔓延反应判据[ΔHf//Cp]298k值,解释了这几种体系可以发生MSR的原因。 最后探讨以机械合金化法制备的CuInSe2化合物粉体为原料,进行真空镀膜和涂覆制膜。真空蒸发获得近化学计量比的CuInSe2薄膜,其光吸收系数接近105cm-1数量级。


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