ZnO棒晶阵列的溶液生长与CuSCN空穴传输层和CuInS2光吸收层薄膜的电沉积

摘要

本论文的主要内容是采用水溶液生长法和电沉积工艺研究基于ZnO棒晶阵列的NPC电池半导体薄膜的制备。ZnO棒晶阵列光阳极具有高比表面积的3D有序结构和电子直接由棒晶传输到外电极的优点。为了能使ZnO棒晶阵列在电沉积中不受腐蚀伤害,研究中创新采用了中性或弱碱性的水基电沉积溶液。
　　 水溶液生长ZnO棒晶阵列采用了Zn(NO3)2/NH3·H2O和Zn(NO3)2/HMT生长体系,结构与性能表征分析结果显示,在90℃生长4h的情况下得到了高度c轴取向的六方纤锌矿单晶结构的ZnO棒晶阵列。原生ZnO阵列室温PL测试结果没有出现特征紫外发光峰,而在414nm和493nm处存在缺陷发光,氩气热处理后出现了紫外发光。通过PEG和TEA对生长溶液的络合改性,显著改进了生长溶液的稳定性,调节了生长驱动力,ZnO棒晶阵列经氩气热处理后在378nm处出现了较高的紫外发光峰,同时使缺陷发光消失。
　　 论文研究了弱碱性条件下p型CuSCN空穴传输层的电沉积。采用TEA络合制备出稳定的弱碱性水基电沉积溶液,pH值为8.5～9。线性伏安扫描分析得出该电沉积溶液下合适的沉积电压范围为-200～-550mV,在-500mV制备出了致密度高,透光性好,禁带宽度为3.88eV的p型CuSCN薄膜。研究也表明沉积电压和溶液浓度的降低倾向于引起沉积晶粒生长不良,高温沉积易出现铜的共沉积。
　　 在ZnO棒晶阵列上电沉积p-CuSCN的研究中,通过FESEM观察CuSCN的成核与生长过程的时间演变,变温下的不同形貌,并结合不同基底上线性伏安扫描和变温下ZnO基底上的瞬态电流密度的讨论,提出了CuSCN在棒晶阵列上生长的能带模型和热活化沉积机理。CuSCN/ZnOrod互穿异质结的电性能评价结果表明具有明显的整流效应,沉积嵌入的CuSCN和ZnO之间形成了良好的电接触界面结合。低沉积温度下得到的异质结电性能优于高沉积温度,0℃下的异质结的理想因子为3.3,串联电阻为130Ω,在±0.8V时的整流比为12.07。
　　 在CuInS2吸收层的沉积研究中,通过添加络合剂CitNa和TEA得到了稳定的中性和弱碱性电沉积溶液,使用该沉积液制备出了致密的黄铜矿CuInS2薄膜,禁带宽度为1.29eV～1.46eV。电沉积溶液的pH值对沉积物相影响显著,导致沉积电位敏感。合适的沉积电位被限制在-1200mV的电位附近,低电位导致沉积物聚集不致密,而高电位会出现CuIn5S8杂相。使用弱碱性电沉积溶液成功在ZnO棒晶阵列上获得了CuInS2的致密填充,得到的CuInS2/ZnOrod异质结构具有非线性响应,在光照强度70W下得到Voc=320mV,Isc=0.236mA/cm2。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米晶光伏太阳能电池

1.2.1 DSSCs电池

1.2.2 ETA电池

1.2.3 QDSCs电池

1.3 ZnO棒晶阵列光阳极

1.3.1 ZnO的晶体结构和化学性质

1.3.2 ZnO的光电性能

1.3.3 ZnO的溶液生长

1.4 CuSCN无机空穴传输层

1.4.1 CuSCN半导体的晶体结构

1.4.2 CuSCN的电性能

1.4.3 CuSCN的电化学制备

1.5 CuInS2光吸收材料

1.5.1 CuInS2半导体的晶体结构

1.5.2 CuInS2的光电性能

1.5.3 CuInS2的电化学沉积

1.6 电化学沉积基础

1.7 课题提出及创新点

第二章 ZnO棒晶阵列的水溶液生长

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及设备

2.2.2 实验步骤

2.2.3 测试方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 氨水体系中的化学反应

2.3.2 ZnO棒晶阵列的表征

2.3.3 ZnO棒晶的水溶液生长机理

2.3.4 ZnO棒晶阵列的PL特性

2.3.5 生长液组成改性对形貌与PL性能的影响

2.4 本章小结

第三章 p-CuSCN空穴传输层的弱碱性水溶液电沉积

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料及设备

3.2.2 实验步骤

3.2.3 测试方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 稳定弱碱性电沉积溶液的制备

3.3.2 CuSCN电解液的电化学特征

3.3.3 CuSCN在ITO基底上的电沉积

3.3.4 电沉积溶液浓度对薄膜的影响

3.3.5 温度对薄膜的影响

3.3.6 薄膜的光学性质

3.4 本章小结

第四章 CuSCN在ZnO棒晶阵列上的电沉积研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料及设备

4.2.2 实验步骤

4.2.3 测试方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 p-CuSCN/ITO结的基本特性

4.3.2 CuSCN在ZnO棒晶阵列基底上的电沉积

4.3.3 ZnO棒晶上的CuSCN填充沉积

4.3.4 CuSCN在ZnO棒晶阵列上电沉积的电化学特征和填充机理

4.3.5 CuSCN/ZnOrod互穿异质结的电性能

4.3.6 CuSCN/Znrod互穿异质结的光学性质

4.4 本章小结

第五章 CuInS2光吸收层中性/弱碱性溶液的电沉积

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验原料及设备

5.2.2 实验步骤

5.2.3 测试方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 稳定中性电沉积溶液的配制

5.3.2 CuInS2中性电沉积溶液的电化学特征

5.3.3 CuInS2薄膜在1TO基底上的电沉积

5.3.4 中性电沉积溶液体系的改进

5.3.5 CuInS2在ZnO棒晶阵列基底上的电沉积

5.3.6 CuInS2/ZnOrod异质结构的光电性能

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢