多元醇溶液化學(xué)膠體墨水法CuInSe2納米晶、薄膜制備與光伏應(yīng)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(yáng)能電池領(lǐng)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(lái)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(shù)。本文首次選擇多元醇做為反應(yīng)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(xué)計(jì)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(jìn)一步在Ar氣中退火熱處理,制備出高結(jié)晶性、高致密度、強(qiáng)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(yàn)光伏器,得到了一定的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以乙二醇(EG)、二乙二醇(DEG)和三乙二醇(TEG)做為反應(yīng)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(huì)隨著多元醇碳鏈的增加得到明顯改善,TEG為反應(yīng)熱

3、溶劑時(shí)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(xué)計(jì)量比。TEG體系下,提高反應(yīng)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(shí)驗(yàn)表明此體系是一個(gè)快速爆發(fā)、一步生成三元CIS晶核,迅速生長(zhǎng)的過(guò)程,反應(yīng)在1 min左右就基本結(jié)束,進(jìn)一步延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)于晶粒的長(zhǎng)大影響不大,后期的奧斯瓦爾德熟化能促使晶粒略有長(zhǎng)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(shí),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(guò)對(duì)不同反應(yīng)時(shí)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(zhuǎn)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(jī)

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

6、有一定提高。CIS納米混晶薄膜的(112)擇優(yōu)取向會(huì)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(huì)發(fā)生相變轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)更穩(wěn)定的黃銅礦CIS薄膜,同時(shí)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(dá)270.9。
　　將CIS納米粒子和納米片混晶構(gòu)成的薄膜熱處理后做吸收層,組裝Mo/CIS/CdS/i–ZnO/n–ZnO/Ag,Al薄