形貌可控的Cu2ZnSnS4納米材料的制備與光電性能研究.pdf

1、目前，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜，作為太陽能電池的吸收層，已經(jīng)實現(xiàn)了超過20％的轉(zhuǎn)換效率。然而，由于銦和鎵儲量稀少，限制了該薄膜電池的發(fā)展。Cu2ZnSnS4(CZTS)是一種直接帶隙P型半導體材料，其吸收系數(shù)較高，可達104cm-1、帶隙可調(diào)(1.4-1.6eV)，與半導體太陽能電池所要求的最佳禁帶寬度(1.5eV)十分接近，并且所含元素儲量豐富，無毒，對環(huán)境污染小。因此，CZTS成為太陽能電池吸收層的最佳候選材料。在本論文中，我們采用

2、簡單的溶劑熱法，以無機金屬鹽為原料，以無機溶劑為反應介質(zhì)，成功制備了不同形貌和不同尺寸的CZTS納米顆粒，并探討和分析了不同反應條件對產(chǎn)物的影響，提出花狀顆粒的生長機理。同時，我們也考察和測試了薄膜的光電性能，將CZTS納米顆粒分別作為無機太陽能電池的吸收層以及染料敏化電池的對電極，期待這種多層次結(jié)構(gòu)的CZTS納米顆粒能夠廣泛應用于太陽能電池生產(chǎn)中。本論文主要工作包括以下幾個部分：
　　 1.采用溶劑熱法，嘗試采用各種溶劑(乙二

3、胺、乙二醇和聚乙二醇-400(PEG))制備CZTS納米顆粒，并且對所合成的CZTS顆粒做了相關(guān)表征。結(jié)果表明，以乙二醇為溶劑，通過加入表面活性劑(PVP)，以及PEG(PEG和EG)為溶劑，我們能夠得到形貌可控，尺寸可調(diào)的球狀以及花狀CZTS納米顆粒，另外，我們還探討了不同的反應因素(如反應溫度、溶液濃度、反應時間和PVP的含量、)對產(chǎn)物形貌及尺寸的影響，分析了PVP的作用，提出花狀納米顆粒的形成機理。結(jié)果表明，產(chǎn)物的最佳溫度為230

4、℃，PVP以及PEG不僅能夠阻止顆粒團聚，而且含量較少時，能夠吸附在某個晶面，促使納米片生成。最后，我們比較了不同形貌的CZTS顆粒的光吸收曲線，發(fā)現(xiàn)花狀的CZTS顆粒由于具有特殊的多層次結(jié)構(gòu)，比表面積較大，能夠?qū)梢姽獍l(fā)生多次反射及散射，促使其吸光度下降緩慢，有利于吸收更多的可見光。
　　 2.本章我們主要探討了CZTS薄膜的光電性能，首先采用簡單的刮刀涂膜法將所制備的球狀以及花狀的CZTS納米顆粒制成薄膜，然后我們試圖將CZ

5、TS薄膜作為太陽能電池的吸收層，嘗試組裝成簡單的無機太陽能電池，測試其光電性能，由于熱處理條件、薄膜與基底的牢固度等多方面因素的影響，我們目前組裝的電池裝置還未得到可觀的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，我們還將該薄膜作為染料敏化電池的對電極材料，并對電池的光電轉(zhuǎn)換效率進行測試，探討不同條件對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。實驗結(jié)果表明，硒化處理后的CZTS-Se薄膜(花狀顆粒)作為對電極時，其裝置的轉(zhuǎn)換效率最高，達到3.99％，可以與鉑電極相媲美(3.91％)