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电沉积ZnO形貌控制及其与CZTS异质结组装的研究

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摘要

符号和缩略词说明

第一章 绪论

1.1 太阳能电池的研究背景及意义

1.2 太阳能电池窗口层ZnO简介

1.2.1 ZnO材料的结构和基本性质

1.2.2 ZnO材料的不同形貌

1.2.3 ZnO材料的制备方法

1.3 太阳能电池吸收层CZTS简介

1.3.2 CZTS材料的制备方法

1.4 CZTS太阳能电池的结构

1.5 本论文的选题意义

1.6 本论文的研究内容及其创新点

第二章 试验部分

2.1 试验所用仪器及药品

2.2 试验方法

2.2.1 ZnO种子层的溶胶凝胶法制备

2.2.2 不同形貌ZnO的电沉积制备

2.2.3 CZTS薄膜的电沉积制备

2.2.4 C7TS薄膜的溶胶凝胶法制备

2.2.6 太阳能电池的组装

2.3 分析测试方法

2.3.1 物相及成分表征

2.3.2 形貌表征

2.3.3 光学和电学性能测试

2.3.4 电化学测试

第三章 形貌可控的ZnO电沉积制备

3.1.2 沉积电位对ZnO纳米阵列形貌及其光电性能的影响

3.1.3 沉积液pH值对有种子层ZnO纳米阵列形貌及光电性能的影响

3.1.4 沉积温度对有种子层ZnO纳米阵列形貌及光电性能的影响

3.1.5 沉积时间对有种子层ZnO纳米阵列形貌及其光电性能的影响

3.2 无种子层ZnO纳米阵列的电沉积制备

3.3 ZnO纳米管的电沉积制备

3.4 ZnO薄膜的电沉积制备

3.5 不同形貌的ZnO结构及其性能比较

3.6 本章小结

第四章 CZTS/ZnO异质结的组装和测试

4.1.1 GZTS薄膜在ITO基底上的电沉积制备

4.1.2 CZTS薄膜在Mo基底上的电沉积制备

4.2 CZTS/ZnO薄膜异质结的电沉积制备

4.3 CZTS/ZnO纳米阵列的电沉积制备

4.4 本章小结

第五章 ZnO/CZTS异质结的组装和测试

5.1.3 CZTS沉积时间对有种子层ZnO纳米阵列/CZTS结构的影响

5.1.4 酒石酸浓度对有种子层ZnO纳米阵列/CZTS结构的影响

5.1.5 柠檬酸三钠浓度有种子层ZnO纳米阵列/CZTS结构的影响

5.2 无种子层ZnO纳米阵列/CZTS异质结电沉积制备

5.3 ZnO纳米阵列/CdS纳米颗粒的制备

5.4 ZnO/CdS/CZTS异质结的制备

5.4.1 CZTS沉积时间对ZnO/CdS/CZTS结构的影响

5.5 ZnO纳米阵列/溶胶凝胶法CZTS异质结制备

5.5.1 CZTS溶胶凝胶法制备

5.5.2 用溶胶凝胶法在ZnO纳米阵列上制备ZnO/CZTS异质结

5.3.3 退火时间对无种子层ZnO纳米阵列/CZTS结构的影响

5.6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者和导师简介

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摘要

随着化石能源的日益减少,铜锌锡硫(CZTS)太阳能电池作为一种能量转化装置受到了广泛关注。目前铜锌锡硫太阳能电池是钠钙玻璃/钼/铜锌锡硫/硫化镉/本征氧化锌/铝掺杂的氧化锌/铝的多层结构,其结构复杂,而且大部分功能层需要真空法制备。不仅成本高,而且需要复杂的设备及工艺。因此,采用低成本的方法进行太阳能电池的组装具有重要意义。
  本论文采用电沉积法分别制备了有种子层和无种子层ZnO纳米阵列、有种子层ZnO纳米管、ZnO薄膜。通过调节沉积电位、沉积液成分、pH值和温度、沉积时间等参数控制ZnO的形貌。研究发现,沉积电位的负移会使氧化锌纳米阵列的直径增大。沉积液pH值降低会破坏氧化锌种子层,使得氧化锌纳米阵列的直径迅速增大并使氧化锌纳米棒的边缘溶解。沉积液温度升高有利于氧化锌从薄膜向阵列转变并提高其结晶性。改变沉积时间可有效地调控氧化锌纳米阵列的厚度和直径。确定氧化锌纳米阵列的最佳沉积条件:沉积液是2mM硝酸锌和0.1M氯化钾,沉积电位为-1.0V(vs.SCE),沉积液pH值为6.5,沉积温度为70℃。本文还用电沉积法制备出无种子层ZnO纳米阵列、ZnO薄膜和ZnO纳米管,实现了电沉积条件下ZnO薄膜形貌的丰富变化。
  采用电沉积法和溶胶凝胶法成功制备出纯相铜锌锡硫吸收层。运用电沉积法在CZTS基底上成功制备出不同形貌的CZTS/ZnO异质结。氧化锌薄膜能够均匀连续地覆盖CZTS表面,形成良好的接触。氧化锌纳米阵列在CZTS薄膜表面呈团簇状分布。
  在电沉积ZnO纳米阵列上电沉积制备CZTS薄膜形成ZnO纳米阵列/CZTS异质结,通过加入CdS缓冲层克服了沉积液易引起ZnO腐蚀困难。在无种子层ZnO纳米阵列上用溶胶凝胶法制备CZTS薄膜,通过CZTS组装工艺的调节,使初始ZnO纳米阵列的粗大结构得以保留,得到ZnO纳米阵列/CZTS异质结结构。该结构有效地增大了窗口层和吸收层的接触面积,有利于载流子的传输,为太阳能电池组装提供了一种新途径。
  通过采用成本低廉、设备简单的电沉积法和溶胶凝胶法实现了不同形貌的ZnO和CZTS的组装,为ZnO/CZTS太阳能电池的性能提高提供了多样的组装方式选择。

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