無機半導(dǎo)體太陽能電池用納米晶薄膜的制備及其性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)化石燃料儲量有限和開采過度引發(fā)的能源危機以及由此帶來的生態(tài)失衡問題是世界各國亟待解決的難題，研究開發(fā)環(huán)境友好、成本低廉的太陽能電池對緩解能源危機和環(huán)境保護具有重要的意義。無機半導(dǎo)體太陽能電池由于具有低成本、高性能等優(yōu)點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏建筑一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　無機半導(dǎo)體太陽能電池的核心組成部分為窗口層、緩沖層和吸收層，針對各層之間能級匹配，設(shè)計開發(fā)高質(zhì)量半導(dǎo)體納米晶薄膜材料，構(gòu)建合理的組裝工藝，是當(dāng)前無機

2、半導(dǎo)體太陽能電池所面臨的主要挑戰(zhàn)。本文以低成本、高性能的無機半導(dǎo)體太陽能電池為對象，研究開發(fā)了高質(zhì)量二氧化錫(SnO2)窗口層納米晶薄膜材料、三硫化二銦(In2S3)緩沖層納米晶薄膜材料以及三硫化二銻(Sb2S3)吸收層納米晶薄膜材料，建立了純相納米晶薄膜材料的可控制備方法，揭示了各層薄膜材料組成結(jié)構(gòu)與光電性能的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上，采用制備的窗口層、緩沖層和吸收層納米晶薄膜材料組裝無機半導(dǎo)體太陽能電池，并對其組裝工藝和光伏特性進行了研

3、究。取得的創(chuàng)新性成果如下:
　　(1)針對SnO2制備過程中易出現(xiàn)Sn單質(zhì)雜相問題，采用一步恒電位沉積，在氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃基底上成功制備出純相SnO2納米晶薄膜窗口層材料。當(dāng)沉積電位為-0.9V，鍍液溫度為65℃，HNO3濃度為50mM，預(yù)沉積SnO2薄膜在空氣中450℃條件下退火1h時，所制備的SnO2納米晶薄膜致密連續(xù)，為純相金紅石型結(jié)構(gòu)，其沿(110)晶面的織構(gòu)系數(shù)為2.38，平均粒徑為9.1nm。光電性能測試表明

4、，SnO2納米晶薄膜具有優(yōu)異的光電性能，在可見光段透光率大于90％，帶隙為3.75eV，電阻率為2.2×10-3Ω·cm，載流子濃度為1.9×1020cm-3，載流子遷移率為14.8cm2·V-1·s-1，可作為理想的太陽能電池窗口層材料。
　　(2)設(shè)計開發(fā)了操作簡單、成本低廉且適合大規(guī)模生產(chǎn)的硫化輔助電沉積法制備純相In2S3緩沖層納米晶薄膜材料。通過對預(yù)沉積In2S3薄膜進行硫化處理，在ITO導(dǎo)電玻璃基底上成功制備出純相In

5、2S3納米晶薄膜緩沖層材料。當(dāng)硫化溫度為200℃時，硫蒸氣壓較低，硫蒸氣向預(yù)沉積薄膜內(nèi)部擴散受阻，硫化反應(yīng)速率較慢，所制備的薄膜為In2S3和InS的混合相;當(dāng)硫化溫度為250-550℃時，硫蒸氣壓較高，加速了硫在預(yù)沉積薄膜中的擴散，所制備的薄膜為具有高取向性的純四方相In2S3結(jié)構(gòu)。In2S3納米晶薄膜致密連續(xù)，成分接近理論化學(xué)計量比。隨著硫化溫度升高，In2S3納米晶薄膜結(jié)晶性增強，粒徑增大，透光率、帶隙和電阻率下降。硫化溫度為55

6、0℃時，所制備的In2S3納米晶薄膜沿(109)晶面的織構(gòu)系數(shù)為2.96，粒徑為32.9nm，帶隙值為2.01eV，電阻率較低為38.8Ω·cm，載流子濃度為3.8×1015cm-3，載流子遷移率為42.29cm2·V-1·s-1，適合用作半導(dǎo)體太陽能電池緩沖層材料。
　　(3)以具有吸收系數(shù)高、帶隙值窄的Sb2S3納米晶薄膜作為吸收層，深入研究Sb2S3納米晶組成結(jié)構(gòu)對光電性能的影響。采用水熱法，首次以環(huán)境友好的酒石酸銻鉀(KS

7、bC4H4O7)和硫代硫酸鈉(Na2S2O3)為原料，在ITO導(dǎo)電玻璃基底上成功制備出致密連續(xù)、接近化學(xué)計量比的預(yù)沉積Sb2S3薄膜。預(yù)沉積Sb2S3薄膜經(jīng)退火處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呓Y(jié)晶性、純相正交晶系結(jié)構(gòu)的Sb2S3納米晶薄膜。隨著退火溫度升高，Sb2S3納米晶薄膜結(jié)晶性增強，粒徑增大，帶隙和電阻率下降。退火溫度為450℃時所制備的Sb2S3納米晶薄膜粒徑為39.6nm，帶隙值為1.63eV，低于傳統(tǒng)方法制備的Sb2S3材料。Sb2S3納

8、米晶薄膜電阻率低，為1.3×104Ω·cm，載流子濃度為7.3×1013cm-3，載流子遷移率為6.4cm2·V-1·s-1，是一種很有潛力的太陽能電池吸收層材料。
　　(4)以ITO導(dǎo)電玻璃為基底，分別以SnO2納米晶薄膜為窗口層，In2S3納米晶薄膜為緩沖層，Sb2S3納米晶薄膜和P3HT薄膜為吸收層組裝出n-p型和n-n-p型無機半導(dǎo)體薄膜太陽能電池，采用伏安特性曲線測試對電池的伏安特性進行分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)為ITO-Sn