基于溶劑熱方法薄膜太陽能電池吸收層材料銅銦硒的制備和生成機理的研究.pdf

1、I-III-VI2族三元化合物 CuInSe2(CIS)作為一種極具發(fā)展前景的光吸收半導體材料，由于其對太陽光的高吸收效率（α≈5×105 cm-1）、通過摻雜可調(diào)控帶寬（1.02~1.67 eV）、大于23％理論太陽能電池效率以及良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點被廣泛應用在太陽能電池、光電傳感器、發(fā)光二極管、光電存儲設備等領域。目前制備 CIS的方法主要分為物理法和化學法兩大類，其中物理法包括蒸發(fā)濺射、分子束外延、液相外延和氣相沉積等，由于其對實

2、驗設備的要求高，投資成本大而不利于大規(guī)模生產(chǎn)。相反，以溶劑熱為代表的化學法，不僅操作簡單，設備成本低，有利于大規(guī)模制備，而且還能夠方便的調(diào)控合成反應過程中不同元素的比例。但是該三元化合物的溶劑熱合成存在反應效率低的問題，反應中間產(chǎn)物的多樣性導致反應路徑復雜是引起該問題的根本原因。因此本論文通過對溶劑熱合成 CIS三元化合物過程進行研究，運用兩步反應法，探究了反應過程當中可能出現(xiàn)的反應路徑以及不同路徑對反應速率和產(chǎn)物的影響。
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3、研究主要內(nèi)容包括：⑴運用溶劑熱方法在200°С下分別進行不同化學計量比的Cu-Se和In-Se二元化合物的合成反應。通過對不同元素比例、不同反應時間得到的兩類反應產(chǎn)物進行比較，發(fā)現(xiàn)無論是在貧硒還是富硒條件下，銅前驅(qū)體和硒在反應4h時都最終合成了穩(wěn)定的Cu2-xSe；而In在富硒的條件下反應12 h合成復雜的In-Se二元化合物，并且易于在貧硒的情況下水解形成In(OH)3。更重要的是，該實驗結(jié)果表明銅前驅(qū)體與硒的反應要遠快于銦前驅(qū)體與硒

4、的反應速率，銅前驅(qū)體和銦前驅(qū)體對硒的動力學競爭很可能是導致合成 CIS三元化合物時化學反應動力學較低的原因。⑵運用傳統(tǒng)溶劑熱方法，在乙二胺中同時加入銅源、銦源、硒源進行合成反應，在200°С下不同反應時間的結(jié)果表明，CIS三元化合物并不是由三種反應物直接反應生成，而是在反應過程當中出現(xiàn)了銅源、銦源對硒源的爭奪，出現(xiàn)了一系列Cu-Se、In-Se二元化合物和In(OH)3等中間產(chǎn)物。通過對不同反應時間所得反應產(chǎn)物的分析可發(fā)現(xiàn)，反應過程當中

5、存在兩種可能的反應路徑：CuSe2+In(OH)3→CuInSe2和CuSe+In(OH)3+Se→CuInSe2。這兩種In(OH)3參與的反應路徑不利于最終目標產(chǎn)物的生成。⑶運用兩步法合成CIS納米材料，首先由銦前驅(qū)體和硒進行反應，然后再加入銅前驅(qū)體進行最終合成。相比于直接合成的方法，兩步法得到的CIS具有單相的組成，反應時間也由直接合成的16 h降低到了8h，同時，CIS尺寸和形貌也均有較大的改善，顆粒尺寸變小，分布更加均一，形貌

6、上明顯減少了團聚現(xiàn)象形成的大塊顆粒。由兩步法合成導致的化學反應效率的提高主要歸因于有效調(diào)節(jié)了銅源和銦源對硒源的爭奪，從而促使化學反應路徑趨向于有利于合成 CIS材料的方向進行。通過對不同反應時間得到的反應產(chǎn)物的分析可發(fā)現(xiàn)反應過程當中存在兩種可能的新反應路徑如下：CuSe+1/2In2Se3?1/2Se→CuInSe2和CuSe+InSe→CuInSe2。⑷根據(jù)以上提及的反應路徑分別選用相應的反應前驅(qū)體在相同的反應條件下進行CIS納米材料