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非真空纳米粒子墨水法制备CIGS薄膜太阳电池吸收层

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 太阳电池基础

1.2.1 太阳电池原理

1.2.2 薄膜太阳电池分类

1.3 CIGS薄膜太阳电池

1.3.1 CIGS薄膜太阳电池发展历程

1.3.2 CIGS薄膜电池结构与工作原理

1.4 CIGS薄膜太阳电池吸收层材料

1.4.1 CIGS薄膜材料结构与特性

1.4.2 CIGS薄膜材料的制备方法

1.5 纳米粒子墨水法制备CIGS吸收层

1.6 本论文的选题依据和研究内容

第二章 实验方法与过程

2.1 实验原料设备

2.2 实验工艺流程

2.2.1 CIGS纳米粒子的合成及墨水制备

2.2.2 纳米粒子墨水制备CIGS吸收层薄膜

2.3 分析测试内容

2.3.1 SEM表面形貌分析

2.3.2 元素组成分析

2.3.3 XRD组成物相分析

2.3.4 TEM昌体结构分析

2.3.5 UV光谱吸收测试

2.3.6 电学性能参数测试

第三章 CIGS纳米粒子合成及墨水制备

3.1 单一溶剂体系制备CIGS纳米粒子的研究

3.1.1 实验过程

3.1.2 实验设计

3.1.3 离心次数对纳米粒子纯度的影响

3.1.4 反应时间对CuInSe2纳米粒子的影响

3.1.5 反应温度对CuInSe2纳米粒子的影响

3.1.6 不同In/Ga元素比的CuInxGa1-xSe2纳米粒子的合成

3.1.7 小结

3.2 混合溶剂体系制备CIGS纳米粒子的研究

3.2.1 实验过程

3.2.2 实验设计

3.2.3 混合溶剂体积比对CuInSe2纳米粒子的影响

3.2.4 不同In/Ga元素比的CuInxGa1-xSe2纳米粒子的合成

3.2.5 小结

第四章 纳米粒子墨水制备CIGS薄膜及性能测试

4.1 CIGS纳米粒子墨水成膜工艺研究

4.1.1 实验过程

4.1.2 实验设计

4.1.3 不同基底上CIS薄膜的成膜效果

4.1.4 不同涂膜方式对CIS薄膜的影响

4.1.5 不同合成温度的纳米粒子墨水对薄膜的影响

4.1.6 小结

4.2 CIGS薄膜硒化工艺研究

4.2.1 实验设计

4.2.2 硒化对CIGS薄膜的影响

4.2.3 硒化温度对CIGS薄膜的影响

4.2.4 硒化时间对CIGS薄膜的影响

4.2.5 Na元素对CIGS薄膜的影响

4.2.6 K元素对CIGS薄膜的影响

4.2.7 小结

4.3 CIGS薄膜性能测试

4.3.1 CIGS薄膜的电学性能测试

4.3.2 CIGS薄膜的光学性能测试

4.3.3 小结

第五章 结论

参考文献

个人简历及发表的科研成果

致谢

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摘要

在低成本高效率太阳电池的开发体系中,Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物如铜铟硒(CISe)、铜铟镓硒(CIGS)等是其中极具发展前景的一类太阳电池材料,它具有以下优点:是一种直接带隙材料,光吸收系数高、长期辐照下稳定性好、光电转换效率高等等。然而,当前制备高效率的CIGS电池需要高真空的制程工艺,如共蒸发工艺或溅射工艺,但是这些工艺都不可避免涉及到高温和复杂设备等因素导致的高成本,而采用纳米粒子墨水法制备CIGS太阳电池吸收层,可以有效避免高真空制程工艺带来的问题,并且可通过简单的印刷或卷对卷工艺在大面积基底上成膜制备出高效率的CIGS太阳电池。
  论文的第一部分,采用简单的热溶剂法,以铜、铟、镓无机盐和硒金属为原料在油胺溶剂中发生反应合成出CIGS纳米粒子。分析结果发现,在反应温度为260℃和反应时间为1h的条件下可以制得具有黄铜矿结构的CIGS纳米粒子,并且可通过改变原料的摩尔比实现获得不同化学计量比、光电性质可调的CIGS纳米粒子。此外,我们首次提出一种绿色、经济的化学合成方法,即采用丙三醇和油胺做为混合溶剂合成CIGS纳米粒子。研究结果发现,仅需30%的油胺用量便可获得20 nm左右、纯净无杂相、易分散的CIGS纳米粒子,同样可通过改变原料的摩尔比获得不同化学计量比的CIGS纳米粒子。
  论文的第二部分,我们采用不同的涂膜工艺(滴涂、刮涂工艺)在玻璃和钼/玻璃基底上涂覆制备CIGS薄膜,并研究探讨了硒化工艺的影响因素。研究结果发现,刮涂法具有材料利用率高、成膜均匀的特点,是一种可行的涂膜工艺。此外,退火硒化是CIGS薄膜二次晶粒生长必不可少的关键工艺,在退火温度为550℃、退火时间为20 min的硒化条件下,可制备出光学、电学性能良好的CIGS太阳电池吸收层。最后,在硒化退火前通过预先溶液浸泡的方式引入Na、K元素,从而使得薄膜的晶粒取向生长和二次长大。
  综上所述,本论文提出了一种绿色、低成本的CIGS纳米粒子溶液化学合成方法,并研究优化了纳米粒子的制备工艺、涂膜工艺及硒化工艺的实验参数对CIGS薄膜质量的影响,制备出了光学、电学性能良好,适合于薄膜太阳电池应用的CIGS电池吸收层。

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