无机半导体太阳能电池用纳米晶薄膜的制备及其性能研究
传统化石燃料储量有限和开采过度引发的能源危机以及由此带来的生态失衡问题是世界各国亟待解决的难题，研究开发环境友好、成本低廉的太阳能电池对缓解能源危机和环境保护具有重要的意义。无机半导体太阳能电池由于具有低成本、高性能等优点，在光伏发电系统和光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景。 无机半导体太阳能电池的核心组成部分为窗口层、缓冲层和吸收层，针对各层之间能级匹配，设计开发高质量半导体纳米晶薄膜材料，构建合理的组装工艺，是当前无机半导体太阳能电池所面临的主要挑战。本文以低成本、高性能的无机半导体太阳能电池为对象，研究开发了高质量二氧化锡(SnO2)窗口层纳米晶薄膜材料、三硫化二铟(In2S3)缓冲层纳米晶薄膜材料以及三硫化二锑(Sb2S3)吸收层纳米晶薄膜材料，建立了纯相纳米晶薄膜材料的可控制备方法，揭示了各层薄膜材料组成结构与光电性能的影响规律;在此基础上，采用制备的窗口层、缓冲层和吸收层纳米晶薄膜材料组装无机半导体太阳能电池，并对其组装工艺和光伏特性进行了研究。取得的创新性成果如下: (1)针对SnO2制备过程中易出现Sn单质杂相问题，采用一步恒电位沉积，在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底上成功制备出纯相SnO2纳米晶薄膜窗口层材料。当沉积电位为-0.9V，镀液温度为65℃，HNO3浓度为50mM，预沉积SnO2薄膜在空气中450℃条件下退火1h时，所制备的SnO2纳米晶薄膜致密连续，为纯相金红石型结构，其沿(110)晶面的织构系数为2.38，平均粒径为9.1nm。光电性能测试表明，SnO2纳米晶薄膜具有优异的光电性能，在可见光段透光率大于90％，带隙为3.75eV，电阻率为2.2×10-3Ω·cm，载流子浓度为1.9×1020cm-3，载流子迁移率为14.8cm2·V-1·s-1，可作为理想的太阳能电池窗口层材料。 (2)设计开发了操作简单、成本低廉且适合大规模生产的硫化辅助电沉积法制备纯相In2S3缓冲层纳米晶薄膜材料。通过对预沉积In2S3薄膜进行硫化处理，在ITO导电玻璃基底上成功制备出纯相In2S3纳米晶薄膜缓冲层材料。当硫化温度为200℃时，硫蒸气压较低，硫蒸气向预沉积薄膜内部扩散受阻，硫化反应速率较慢，所制备的薄膜为In2S3和InS的混合相;当硫化温度为250-550℃时，硫蒸气压较高，加速了硫在预沉积薄膜中的扩散，所制备的薄膜为具有高取向性的纯四方相In2S3结构。In2S3纳米晶薄膜致密连续，成分接近理论化学计量比。随着硫化温度升高，In2S3纳米晶薄膜结晶性增强，粒径增大，透光率、带隙和电阻率下降。硫化温度为550℃时，所制备的In2S3纳米晶薄膜沿(109)晶面的织构系数为2.96，粒径为32.9nm，带隙值为2.01eV，电阻率较低为38.8Ω·cm，载流子浓度为3.8×1015cm-3，载流子迁移率为42.29cm2·V-1·s-1，适合用作半导体太阳能电池缓冲层材料。 (3)以具有吸收系数高、带隙值窄的Sb2S3纳米晶薄膜作为吸收层，深入研究Sb2S3纳米晶组成结构对光电性能的影响。采用水热法，首次以环境友好的酒石酸锑钾(KSbC4H4O7)和硫代硫酸钠(Na2S2O3)为原料，在ITO导电玻璃基底上成功制备出致密连续、接近化学计量比的预沉积Sb2S3薄膜。预沉积Sb2S3薄膜经退火处理后转变为具有高结晶性、纯相正交晶系结构的Sb2S3纳米晶薄膜。随着退火温度升高，Sb2S3纳米晶薄膜结晶性增强，粒径增大，带隙和电阻率下降。退火温度为450℃时所制备的Sb2S3纳米晶薄膜粒径为39.6nm，带隙值为1.63eV，低于传统方法制备的Sb2S3材料。Sb2S3纳米晶薄膜电阻率低，为1.3×104Ω·cm，载流子浓度为7.3×1013cm-3，载流子迁移率为6.4cm2·V-1·s-1，是一种很有潜力的太阳能电池吸收层材料。 (4)以ITO导电玻璃为基底，分别以SnO2纳米晶薄膜为窗口层，In2S3纳米晶薄膜为缓冲层，Sb2S3纳米晶薄膜和P3HT薄膜为吸收层组装出n-p型和n-n-p型无机半导体薄膜太阳能电池，采用伏安特性曲线测试对电池的伏安特性进行分析。结果表明，结构为ITO-SnO2-In2S3-Sb2S3的n-n-p型太阳能电池性能明显优于n-p型太阳能电池和ITO-SnO2-In2S3-P3HT太阳能电池。暗态条件下测得其串联电阻为122Ω，并联电阻为471Ω，整流比为RR(±0.4V)=2.68。光照条件下电池短路电流密度为Jsc=10.84μA/cm2，开路电压Voc=0.125V，填充因子为0.253，能量转换效率为η=3.43×10-4％。
无机半导体太阳能电池;纳米晶薄膜材料;制备工艺;二氧化锡;三硫化二铟;三硫化二锑
北京化工大学
博士
材料科学与工程
王峰
2016
中文
TM914.4;TM205.1
139
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）