金屬墨水法制備CuInS2薄膜及太陽電池.pdf

1、太陽能光伏作為一種無污染、壽命長且不受地理限制的綠色能源,被認(rèn)為是解決未來能源問題的有效途徑之一。近年來,世界光伏市場迅猛發(fā)展,但是,光伏發(fā)電的成本相對還比較高,因此降低發(fā)電成本就成為關(guān)鍵。由于薄膜電池技術(shù)具有原材料消耗少、能耗低、可大面積快速生產(chǎn)等優(yōu)點,成為國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點領(lǐng)域。
　　 CuInS2以其接近太陽光最佳匹配的禁帶寬度(1.5eV)、較大的吸收系數(shù)、較高的理論轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點,是一種非常有潛力的薄膜電池材

2、料。但是,目前CuInS2薄膜制備技術(shù)多采用真空方法,制造成本相對較高。本文探索了應(yīng)用金屬顆粒墨水制備CuInS2薄膜及太陽電池的方法。首先采用多元醇還原法制備銅、銦及銅銦合金金屬顆粒,然后進(jìn)行金屬顆粒墨水、前驅(qū)體薄膜的制備和硫化過程等工藝的研究,制備了CuInS2薄膜太陽電池。全文取得了如下具有創(chuàng)新意義的結(jié)果:
　　 (1)采用多元醇還原法制備了銅、銦及銅銦合金納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn):反應(yīng)溫度和反應(yīng)速度是制備銦顆粒的主要因素,Na

3、BH4在溶劑中的分解速度決定了生長時間,高分子添加劑能起到空間位阻作用但也會影響到顆粒的均勻性?；谝陨系恼J(rèn)識,采用三乙醇胺(TEA)作為添加劑,結(jié)合快速熱注入法,在140℃高溫下制備了直徑為10nm甚至更小的均勻的銦顆粒,反應(yīng)溫度及TEA的量會影響到顆粒的尺寸。研究還指出:快速注入能一次形成大量形核中心并迅速長大,高溫條件可以加速了NaBH4的分解,縮短生長時間,使得還原性環(huán)境被破壞,導(dǎo)致銦顆粒被鈍化從而限制其進(jìn)一步生長。另外,采用快

4、速熱注入法也制備得到顆粒尺寸在100nm以下、分布較窄的銅銦合金顆粒,同銦顆粒的制備類似,溫度和時間對顆粒的形貌沒有影響,但會提高結(jié)晶性。
　　 (2)研究了金屬顆粒的高溫穩(wěn)定性。實驗指出:銅銦顆粒及銦顆粒即便是在充滿還原性氣氛的高真空CVD腔體中氧化也比較嚴(yán)重,說明制備得到的金屬顆粒在高溫條件下不穩(wěn)定。通過形貌,結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)銅銦顆粒在高溫?zé)崽幚砗筠D(zhuǎn)變?yōu)檠趸熂{米線,而銦顆粒則有向氧化銦空心球轉(zhuǎn)變的趨勢。對比在玻璃襯底及銅襯底

5、上的銦顆粒經(jīng)過熱處理后的形貌差異,認(rèn)為銅在氧化銦納米線的生長過程中起到了催化作用。
　　 (3)利用制備的金屬顆粒制備了前驅(qū)體薄膜,進(jìn)而硫化燒結(jié)成CuInS2薄膜。利用CBD法制備的多孔的硫化銅或硫化銦薄膜進(jìn)行補銦或補銅,最后硫化制備成致密的CuInS2薄膜。采用硫化銅補銦法制備的CuInS2薄膜制備的電池得到了2％的光電轉(zhuǎn)換效率。應(yīng)用銅顆粒墨水、銦顆粒墨水依次制備了銅/銦或銦/銅疊層前驅(qū)體薄膜,用銅銦顆粒制備了混合前驅(qū)體薄膜。

6、通過硫化均能制備結(jié)構(gòu)致密、晶粒較大的CuInS2薄膜。發(fā)現(xiàn)混合前驅(qū)體薄膜制備的CuInS2薄膜雜相相對較少,該薄膜制備的電池具有0.7％的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　 (4)研究了銅銦合金顆粒的硫化過程,指出雜質(zhì)Na、中間相等對薄膜性能和結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著在金屬前驅(qū)體膜中銅/銦比的增大,CuInS2薄膜晶粒越大、結(jié)晶性越好。鈉對富銦前驅(qū)體薄膜的作用要比富銅薄膜大:銅/銦比為0.6的前驅(qū)體薄膜,以含鈉的玻璃為襯底,硫化后雜相為Na2In

7、2S4;以不含鈉的鉬片為襯底時,其雜相為CuInsS8。而在銅銦比在0.9和1.3的前驅(qū)體膜中,無論是襯底中的鈉還是在銅銦合金中摻入的鈉,都對其結(jié)構(gòu)沒有大的影響。研究還發(fā)現(xiàn):在硫化過程中有CuIn5S8中間相參與反應(yīng),這是由于銅、銦的擴(kuò)散速度及與硫反應(yīng)的速度不同導(dǎo)致的富銅相(CuS)與富銦相(CuIn5S8)的暫時分相,在溫度升高時兩者作用生成CuInS2。另外,制備的CuInS2薄膜截面均為雙層結(jié)構(gòu):上層薄膜由大晶粒組成,而下層薄膜的