硒化铜铋薄膜和硒化锑铋薄膜的电沉积制备及性能表征

摘要

探索新型矿源丰富、环境友好的廉价薄膜太阳电池材料是当前太阳电池研究的热点。在各种薄膜材料制备方法中，电沉积法具有低成本、非真空和高效率等优点，适合于薄膜太阳电池的制备。基于薄膜太阳电池材料的要求和制备方法的分析，本论文选择硒化铜铋和硒化锑铋这两种元素丰度高、低成本的金属硒化物薄膜为研究对象，采用电沉积法制备，并对薄膜进行表征，主要研究结论如下:
　　 1.首次采用电沉积法从酸性水溶液中制备出了硒化铜铋薄膜。采用循环伏安法研究了薄膜沉积的电化学行为，发现铜和铋均是以欠电位沉积方式进入薄膜。研究了主要电沉积工艺参数对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响，发现沉积电位和pH值对薄膜成分和形貌影响显著，而沉积温度影响较小。在沉积电位-0.22Vvs.SCE、温度25℃和pH值1.5时可制备表面平整致密、化学计量组成为Cu1.09Bi1.42Se3且主晶相为Bi2Se3的薄膜，其光吸收系数超过5×104 cm-1，带隙宽度为1.50±0.01 eV。多种电学表征结果表明，薄膜导电类型为p型。其中，霍尔测试测得薄膜的载流子浓度、载流子迁移率和电阻率分别为2.5×1018～5.6×1019cm-3、0.16～1.40 cm2·V-1·s-1和70.2～175.8Ω·cm-1;光电化学测试表明薄膜具有良好的光电压响应;Mott-Schottky测试测得薄膜平带电位为-0.24±0.03 V vs.SCE，载流子浓度为8.9×1019 cm-3，与霍尔测试结果一致。
　　 2.采用电沉积法从酸性水溶液中制备了硒化锑铋薄膜。采用循环伏安法研究了薄膜沉积的电化学行为，发现铋是以欠电位沉积方式进入薄膜，而锑未观察到该行为;锑、铋和硒可在-0.60～-0.30 V vs.SCE范围实现共沉积。研究了主要电沉积工艺参数对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响，发现沉积电位和pH值对薄膜成分和形貌影响显著，而沉积温度影响甚微。在沉积电位-0.40 V vs.SCE、温度25℃和pH值1.5时可制备表面形貌较致密，化学计量组成为Sb1.03Bi0.97Se3的薄膜;薄膜经热处理后成分变化不大，但结晶质量得到极大改善，且为呈正交Pbnm(62)结构的Bi掺杂Sb2Se3相;其光吸收系数高达105 cm-1，带隙宽度为1.12±0.01eV。光电化学和Mott-Schottky测试表明，薄膜导电类型为n型，载流子浓度为1.1×1019 cm-3，平带电位为-0.40±0.03 V vs.SCE，并具有显著的光电流和光电压响应。另外，研究发现锑铋原子比(Sb/Bi)变化对硒化锑铋薄膜的晶型结构和光学性质影响显著:随着Sb/Bi比的增大，薄膜可由菱形R-3m(166)结构的Sb掺杂Bi2Se3相向正交Pbnm(62)结构的Bi掺杂Sb2Se3相转变;其中后者具有较大的光吸收系数(～105 cm-1)和带隙宽度(0.90～1.12 eV)。

目录

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摘要

第一章 文献综述

1．1 硒及金属硒化物概述

1．2 金属硒化物薄膜的制备方法

1．2．1 蒸发法

1．2．2 化学气相沉积法

1．2．3 溅射法

1．2．4 分子束外延

1．2．5 喷雾热解法

1．2．6 溶胶-凝胶法

1．2．7 化学水浴法

1．2．8 水热／溶剂热法

1．2．9 涂覆法

1．2．10 电沉积法

1．3 金属硒化物薄膜的电沉积制备研究进展

1．3．1 ⅢA主族金属硒化物薄膜

1．3．2 ⅣA主族金属硒化物薄膜

1．3．3 ⅤA主族金属硒化物薄膜

1．3．4 ⅠB副族金属硒化物薄膜

1．3．5 ⅡB副族金属硒化物薄膜

1．3．6 ⅥB副族金属硒化物薄膜

1．3．7 ⅦB副族金属硒化物薄膜

1．3．8 Ⅷ族金属硒化物薄膜

1．3．9 多元混合族金属硒化物薄膜

1．4 选题目标与研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 溶液配制

2．3．2 基底清洗

2．3．3 循环伏安测试与电沉积制备

2．4 薄膜表征

2．4．1 扫描电镜及能谱仪

2．4．2 X射线衍射

2．4．3 拉曼分析

2．4．4 紫外-可见／紫外-可见-近红外分光光度计

2．4．5 光电化学测试

2．4．6 Mott-Schottky测试

2．4．7 霍尔测试

2．4．8 台阶仪

第三章 硒化铜铋薄膜的电沉积制备及性能表征

3．1 引言

3．2 Cu-Bi-Se溶液体系的电化学行为研究

3．3 硒化铜铋薄膜的电沉积制备

3．3．1 沉积电位对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响

3．3．2 沉积温度对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响

3．3．3 溶液pH值对硒化铜铋薄膜成分和形貌的影响

3．3．4 沉积时间对硒化铜铋薄膜厚度的影响

3．3．5 硒化铜铋薄膜的结构表征

3．4 硒化铜铋薄膜的光学和电学性质

3．5 本章小结

第四章 硒化锑铋薄膜的电沉积制备及性能表征

4．1 引言

4．2 Sb-Bi-Se溶液体系的电化学行为研究

4．3 硒化锑铋薄膜的电沉积制备

4．3．1 沉积电位对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响

4．3．2 溶液温度对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响

4．3．3 溶液pH值对硒化锑铋薄膜成分和形貌的影响

4．3．4 硒化锑铋薄膜的退火处理研究

4．4 硒化锑铋薄膜的光学与电学性质

4．5 锑铋原子比(Sb／Bi)对硒化锑铋薄膜结构和光学性质的影响

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果目录