碱性条件下制备CdTe薄膜电池的机制研究

毕 业 论 文题 目 有机强碱溶液体系电沉积 CdTe 薄膜及相关机制研究 学 院 材料科学与工程学院 专 业 材料科学与工程 班 级 材料 1312 学 生 高猛 学 号 20130121081 指导教师 武卫兵 二一七年六月一日济南大学毕业论文I摘 要CdTe 薄膜太阳电池是以 p 型的 CdTe 和 n 型的 CdS 的异质结为基础的太阳电池。CdTe 薄膜的禁带宽度为 1.45eV，吸收波长为 855nm，与太阳光谱非常匹配；具有很高的光吸收系数，在可见光范围内高达 104cm-1，2m 厚的碲化镉薄膜能吸收 99%以上的太阳光；同时还具有高的转换效率，其理论光电转换率高达 30。本实验采用电化学沉积法制备 CdTe 薄膜，主要研究有机强碱溶液中电沉积 CdTe 薄膜机理及其影响因素。本实验采用循环伏安法来探究碲化镉薄膜的沉积机理，同时通过对有机碱性溶液的循环伏安曲线分析，探究 pH、温度、Cd 2+浓度和 NTA 和 Cd2+络合比对沉积过程的影响。通过循环伏安曲线分析可知，较低的 pH 促进 TeO32-在CdS 薄膜表面进行吸附，有利于 CdTe 的沉积，能 使 CdS 与 CdTe 的接触更加良好；由于反应为欠电位沉积，较高的温度能为反应提供足够的能量，但过高的温度会使 CdTe 薄膜的结晶度改变，使 CdTe 结晶度更好，电阻率降低，利于接下来的沉积；高浓度的 Cd2+对 TeO32-的吸附有抑制作用，同时 Cd2+浓度过高时，会使溶液中存在自由 Cd2+，高温下大量水解会降低 pH；浓度过高或过低的NTA 都不利于沉积 CdTe 薄膜,会导致 CdTe 薄膜中 Te 过量或 Cd 过量。通过 X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、X 射线能量分散谱仪 等仪器对沉积的CdTe 薄膜进行表征，得出络合比为 8:1 时，CdTe 薄膜结晶度最好，取向为立方的（111），同时碲镉原子比与化学计量比最为接近，但 CdS 与 CdTe 接触面不良，接触面最佳的络合比为 16:1。关键词：CdTe 薄膜太阳电池；有机碱性溶液；电化学沉积；沉积机理；络合比济南大学毕业论文IIABSTRACTCdTe thin film solar cells are based on p-type CdTe and n-type CdS heterojunction-based solar cells.The band gap of CdTe film is 1.45eV, the absorption wavelength is 855nm, which matches the solar spectrum very well.With a high light absorption coefficient, in the visible range up to 104cm-1,2m thick cadmium telluride film can absorb more than 99% of the sun;But also has a high conversion efficiency, the theoretical photoelectric conversion rate as high as 30%.In this experiment, CdTe thin films were prepared by electrochemical deposition. The mechanism of electrodeposited CdTe films in organic alkali solution was studied.In this study, cyclic voltammetry was used to investigate the deposition mechanism of cadmium telluride thin films. At the same time, the cyclic voltammetry curves of organic alkaline solutions，The effects of pH, temperature, Cd2+ concentration and NTA and Cd2+ complexation on the deposition process were investigated.By cyclic voltammetry analysis, it can be seen that the lower pH promotes the adsorption of TeO32- on the surface of CdS film, which is favorable for the deposition of CdTe, which makes the contact of CdS and CdTe better.Since the reaction is underpotential deposition, the higher temperature can provide sufficient energy for the reaction,But the high temperature will make CdTe film crystallinity change, so that CdTe better crystallinity, resistivity is reduced, which is conducive to the next deposition;High concentration of Cd2+ on the adsorption of TeO32- inhibition, and Cd2+ concentration is too high, the solution will exist free Cd2+, high temperature hydrolysis will reduce the pH;Excessive or too low concentration of NTA is not conducive to the deposition of CdTe film, will lead to CdTe thin film too much or Cd excess.The deposited CdTe films were characterized by X-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy and X-ray energy dispersive spectroscopy.When the complexing ratio is 8: 1, the crystallinity of CdTe film is the best, the orientation is cubic (111), and the atomic ratio of cadmium tellurium is the closest to stoichiometric ratio, However, the contact surface between CdS and CdTe is poor, and the optimal ratio of contact is 16: 1.济南大学毕业论文IIIKey words：CdTe thin film solar cells; Organic alkaline solution; Electrochemical deposition; Deposition mechanism;Complex ratio济南大学毕业论文IV目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III1 前言 .11.1 太阳能电池发展历程 .11.2 太阳能电池分类 .21.2.1 晶体硅电池 .21.2.2 薄膜电池 .31.3 太阳能电池工作原理 .41.4 碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池 .61.4.1 碲化镉薄膜太阳电池研究进展 .61.4.2 碲化镉薄膜的性质 .61.4.3 碲化镉薄膜电池的结构 .71.4.4 碲化镉薄膜太阳电池制备方法 .81.5 选题的目的及研究内容 .101.5.1 研究目的 .101.5.2 研究内容 .112 实验与测试 .122.1 实验试剂 .122.2 实验仪器 .12济南大学毕业论文V2.3 实验步骤 .132.3.1 实验流程图 .132.3.2 实验步骤 .132.4 测试与表征 .142.4.1 测试仪器 .142.4.2 测试方法 .153 实验结果与讨论 .163.1 CdTe 薄膜的电沉积原理 .163.2 有机碱性条件下各因素对沉积 CdTe 薄膜的影响 .203.2.1 pH 对沉积 CdTe 薄膜的影响 .203.2.2 温度对沉积 CdTe 薄膜的影响 .213.2.3 Cd2+浓度对沉积 CdTe 薄膜的影响 .233.2.4 NTA 浓度对沉积 CdTe 薄膜的影响 .243.3 CdTe 薄膜的电化学沉积制备和结构性能分析 .253.3.1 不同络合比下的 CdTe 薄膜的晶体结构的分析 .253.3.2 不同络合比下的 CdTe 薄膜的断面晶体相貌的分析 .294 结 论 .32参 考 文 献 .33致 谢 .35济南大学毕业论文11 前言在步入二十一世纪以来，伴随人们生活质量的不断提高和科学技术水平的飞速发展，对能源的消耗日益提高，而石油、煤炭和天然气等传统能源不可再生，无法满足将来人们对能源的需求；同时，这些传统矿物燃料燃烧排放的温室气体和有毒物质使地球生态环境急剧恶化。人们要想正真解决环境问题，就必须从根本上解决传统能源问题，改变现在的能源结构，找一种既清洁环保，又可再生的能源来开发使用。在可再生能源中，太阳能具有清洁无污染，取之不尽，用之不竭等优点，同时太阳能所蕴含的能量是其他可再生能源能量总和的上千倍。太阳能作为研究开发较早，技术较成熟，也是应用开发最多的项目越来越受到人们的关注，太阳能的发展战略无疑成为各国能源战略的重要组成部分，而作为太阳能转换器的太阳能电池也成为各国科研人员的重要研究对象。晶体硅太阳能电池的研究开展较早，工艺与技术相对成熟，目前占据着市场的主导位置，但其制备工艺的繁杂和生产原料的限制，使其生产成本居高不下。这种情况下，人们开始寻找能够代替晶体硅太阳能电池的其他电池，薄膜太阳能电池应运而生，优良的弱光性能，廉价的生产成本，较少的原料消耗是其相对于晶体硅电池的优势。在科技迅速发展的今天，能源问题日益突出，薄膜太阳能电池能够一定程度上缓解能源紧缺的问题，同时具备易推广，低成本的优良性能，是将来太阳能电池的发展方向之一。1.1 太阳能电池发展历程太阳能电池是光伏发电最核心的器件，光伏始于 1839 年，物理学家Alexandre-Edmund Becquerel 发现“适当的光照导致的化学反应可以产生电流”,类似的效应在几十年后被发现。直到 1940 年才产生了第一个通过工业技术生产的效率超过 6%的硅电池 1，从整个太阳能的发展历程来看，在其中起到关键作用的是基础研究与技术进步。1893 年，法国实验物理学家 E.Becquerel 发现电解液中的光生伏特效应，简称为光伏效应，为太阳能电池发展的拉开了序幕。济南大学毕业论文21877 年，英国的 W.G.Adams 和 R.E.Day 研究了硒（Se）的光伏效应，这是首次在固体中观察到光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883 年，美国发明家 CharlesFritts 制作出第一个在金属衬底上镀上一层 Se膜的太阳能电池，然后用 Au 做电极，并且描述了第一块硒太阳能电池的原理。1930 年，肖特基（Schottky）发现“光伏效应”效应，同年朗格（longer）发现济南大学毕业论文3 制作太阳能电池的关键是“光伏效应”，可以使太阳能变成电能。1954 年，美国贝尔(Bell)实验室研究人员 D.M.Chapin，C.S.Fuller 和G.L.Pearson 发现单晶硅中的 p-n 结在光照条件下会产生电压的物理现象，同年单晶硅电池的效率从 4.5%提高到 6%，揭开了 p-n 结电池新时代的序幕。时至今日，p-n 电池仍然占据着光伏行业的重要地位。1957 年，霍夫曼（Hoffman）电子研制的单晶硅电池效率达到 8%；两年后，商业化生产的单晶硅电池效率达到 10%。2003 年的中东战争，引发了第二次石油资源危机，同时再次引起了人们对可再生能源，尤其是太阳能电池的关注，因此单晶硅电池的投入再次加大。也正是单晶硅太阳电池投入力度的猛增，造成硅材料供应严重短缺 2,由于多晶硅原料严重的匮乏和价格一路飚飞，人们逐渐意识到薄膜太阳能电池用材少、成本低和工艺简单易操作的特点，使得薄膜电池受到科研人员们的青睐，把目光从硅太阳能电池转向薄膜太阳能，如今大力发展薄膜电池技术已成普遍趋势。1.2 太阳能电池分类目前，太阳能电池主要包括晶体硅电池，薄膜电池，聚光太阳能电池，其中，大规模应用的是晶体硅电池和薄膜电池。1.2.1 晶体硅电池晶体硅电池是以晶体硅为基体