多元醇溶液化學膠體墨水法CuInSe2納米晶、薄膜制備與光伏應用.pdf

1、CuInSe2(CIS)材料以其優(yōu)越的光電性能,做為光吸收層材料在薄膜太陽能電池領域有著重要的地位和廣闊的發(fā)展前景。納米晶墨水法是近年來迅速發(fā)展的一種低成本、非真空環(huán)境下沉積CIS薄膜的技術。本文首次選擇多元醇做為反應熱溶劑,采用熱注入工藝,成功制備出單相、近單分散、符合化學計量比的CIS納米粒子、納米片晶、納米粒子和納米片晶的混晶形態(tài)。將 CIS納米晶超聲分散在乙醇中,制備出穩(wěn)定的膠體墨水,采用浸漬-提拉成膜工藝,制備出高質(zhì)量的CIS

2、薄膜。進一步在Ar氣中退火熱處理,制備出高結晶性、高致密度、強烈(112)晶面取向的黃銅礦 CIS薄膜。將墨水薄膜做為吸收層材料組裝了Mo/CIS/CdS/i–ZnO，n–ZnO/Ag，Al型試驗光伏器,得到了一定的光電轉換效率。
　　實驗結果表明,以乙二醇(EG)、二乙二醇(DEG)和三乙二醇(TEG)做為反應熱溶劑,水合肼(N2H4·H2O)為還原劑制備的CIS納米粒子的分散性會隨著多元醇碳鏈的增加得到明顯改善,TEG為反應熱

3、溶劑時制備的黃銅礦 CIS納米粒子的分散性最好,粒子呈現(xiàn)近球多變形形狀,平均粒徑約為10.5 nm,且符合1/1/2相的化學計量比。TEG體系下,提高反應溫度能增加 CIS納米粒子的平均尺寸和尺寸分布的均勻性。實驗表明此體系是一個快速爆發(fā)、一步生成三元CIS晶核,迅速生長的過程,反應在1 min左右就基本結束,進一步延長反應時間對于晶粒的長大影響不大,后期的奧斯瓦爾德熟化能促使晶粒略有長大,且粒徑分布更窄,接近單分散。
　　TEG

4、體系下,以乙二胺(En)為還原劑時,改變熱注入工藝程序能制備出直徑為100~600 nm的表面粗糙的多晶閃鋅礦CIS納米片和200~400 nm之間、徑厚比約為10的表面光滑的單晶閃鋅礦 CIS納米片,且該納米片具有閃鋅礦(111)晶面取向。通過對不同反應時間產(chǎn)物的XRD、EDS、TEM和HRTEM的研究表明,CIS納米片晶是先生成二元的CuSe納米片,隨后發(fā)生相變轉變?yōu)镃IS納米片晶的。PVP的存在能明顯改善CIS納米片晶的分散性,機

5、理是通過PVP強極性的?；倌軋F與 CIS納米晶表面配位,利用空間位阻作用達到穩(wěn)定分散的目的。溶液中同時加入N2H4?H2O和En時,產(chǎn)物為CIS納米粒子和納米片的混晶,粒子和片晶的相對含量可以通過調(diào)節(jié)N2H4?H2O和En的相對比例進行控制,增加En的相對含量能增加片晶的比例。
　　CIS納米晶墨水的分散性對于最終的成膜質(zhì)量影響較大,分散性好的納米晶通過浸漬-提拉成膜后較為平整、致密且無多孔現(xiàn)象,在Ar氣熱處理后致密度和結晶性都

6、有一定提高。CIS納米混晶薄膜的(112)擇優(yōu)取向會隨著片晶含量比例的增加而加大,(112)方向擇優(yōu)取向因子能從1.2增加至14.5。閃鋅礦 CIS片晶薄膜580℃退火后會發(fā)生相變轉化為熱力學更穩(wěn)定的黃銅礦CIS薄膜,同時薄膜的致密性和晶粒大小都有著明顯的增加,且(112)晶面方向擇優(yōu)取向因子高達270.9。
　　將CIS納米粒子和納米片混晶構成的薄膜熱處理后做吸收層,組裝Mo/CIS/CdS/i–ZnO/n–ZnO/Ag,Al薄