（物理电子学专业论文）太阳电池材料cuins2薄膜及其纳米棒陈列研究.pdf

复旦人学博士论文 摘要 摘要 太阳能是一种口j - 再生清洁能源，其储量巨大，取之不尽，川之不竭，对环境 无污染，对它的应用研究已成为今后人类能源发展的主要方向之一。利用光伏效 应实现并网发电是太阳能利用的重要形式，而太阳电池是光伏系统的核心，其产 量也得到快速发展，过去1 0 年，每年以超过3 0 的速度增加。但是，与火力发电 和水力发电相比，存在发电成奉高的问题，要解决这个问题，关键是要降低太阳 电池的牛产成本和提高电池的光电转换效率。 c u l n s 2 ( c i s ) 是一种重要的1 i i i v 1 2 族半导体化合物材料，由于具有与太阳) 匕 谱非常匹配的禁带宽度( 1 5 5e v ) ，光吸收系数高( 1 0 5 c m - 1 ) ，化学稳定性好， 低毒性等优点，使其成为非常有潜力的一种人阳电池吸收层材料。从降低薄膜的 制备成本方而考虑，近年米，电沉积、喷雾热解、涂覆技术、丝网印刷等非真空、 低成本技术得到一定的应用发展。其中，涂覆法和丝网印刷技术都需以黄铜矿相 c i s 粉末为前驱体，并且单源蒸发和近空间升华法中也使用c i s 粉末来制备高质 量的c i s 薄膜。为此，论文使用真空烧结法，系统地研究了c i s 粉末的烧结合成。 在c i s 薄膜太阳电池的光电转换效率方面，以其为吸收层的太阳电池的理论 效率高达2 7 3 2 ，而文献报道的光电转化效率却只有1 2 2 ，电池的效率存 在很大的提升空间。电池吸收层的纳米化有利丁- 增加吸收层对光的吸收，并且能 促进光生载流了的分离和传输，是提高电池效率的有效途径。 对于c i s 薄膜太阳电池结构，越来越多的研究者使用m o 薄膜作为c i s 基 薄膜太阳电池的背电极材料，这丰要是由于m o 薄膜具有良好的热稳定性、低电 阻率以及其在制备过程巾易与上层c i s 薄膜形成良好的欧姆接触。作为薄膜电池 结构中的背电极材料，m o 薄膜性能的好坏直接影响吸收层c i s 薄膜的结晶取向、 表面彤貌及界面性能，进而刈电池性能产生重要影响。目前文献报道的转换效率 最高的电池也是以m o 溥膜作为底电极的。 基于以上所述，沦文主要在直流磁控溅射法制备m o 菏膜、真空烧结法合成 c i s 粉末、单源热蒸发法制备c i s 薄膜、i 舌1 态硫化法制备c i s 薄膜和吲态硫化法 制备新型c i s 纳米棒阵列等方面开展研究工作，并取得了些研究成果。 1 改装了一套直流磁控溅射装置，并运川该装置系统地研究了溅射工艺对 m o 薄膜的沉积速率、结构、形貌及电学性能的影响。溅射过程中，当基片温度 为1 5 0 时，簿膜获得( 2 1 1 ) 品f i 玎择优取向，而在其它温度条件下，样品9 1 为( 11 0 ) 晶面择优取向。 2 以c u 、i n 、s 粉和c u s 、i n 2 s 3 粉为原料，真审烧结合成c i s 粉末。球磨 c u 、i n 、s 粉的混合物为前驱体，在1 0 一p a 的真空环境t - ，3 5 0 低温烧结合成 l 复旦人学博士论文摘要 黄铜矿相c i s 粉术，粉末的颗粒尺寸人约为2 5 0 n m ，适用于涂覆法及单源蒸发法 制备c i s 薄膜。 3 以合成的c i s 粉末为原料，采用单源热蒸发技术在钠钙玻璃基片卜沉积薄 膜，样品经2 5 0 - 4 5 0 退火处理后，获得了高( 1 1 2 ) 晶而择优取向的c i s 溥膜。 电学和光学性能测试显示：薄膜的导电类型为n 型，禁带宽度为1 5 0e v 。 4 以钠钙玻璃为基底，蒸镀c u i n 薄膜，d s c 分析显尔薄膜合金化时经j 力两 个相变过程，两相变点温度分别为1 5 3 和3 1 4 ，进步的x r d 测试表明第 一次相变时生成单斜品系的c u i l i n 9 ，第二次相变则生成三斜品系的c u 7 i n 3 。然 后分别硫化c u l l i n 9 和c u 7 i n 3 前驱膜均能获得p 犁c i s 薄膜，薄膜的禁一船宽度分 别为1 3 4 e v 和1 3 9 e v 。其中硫化c u 7 i n 3 前驱膜获得的薄膜中还含有少量c u x s 二元杂相。另外，以玻璃m o 为基底比以m o 箔片为基底制各c i s 薄膜的结晶性 能更优良。 5 将网态硫化法应用于新型c i s 纳米棒阵列的制备。该结构中纳米棒阵列垂 直生长于薄膜之上，组份测试表明薄膜接近c i s 的标准化学剂鼍比。用该结构膜 作太阳电池吸收层时，可增加吸收层对光的吸收，促进载流子的分离与传输，从 而有望开发出高效人阳电池。 另外，论文还就i - i i l - v 1 2 族半导体材料c u l n s e 2 化合物进行了一些研究，真 空烧结合成了c u l n s e 2 粉末，使用固态硒化法在m o 箔片上制备了c u l n s e 2 薄膜。 总之，论文围绕太阳电池的低成奉和高效率，在太阳电池材料c i s 粉末、薄 膜、纳米棒阵列和m o 薄膜等方面展开研究，并取得了。定的研究成果。 关键词：c u l n s 2 薄膜太冈1 电池，m o 薄膜，直流磁摔溅射法，c u l n s 2 粉末，单源 热蒸发技术，固态硫化法，c u l n s 2 纳米棒阵列 2 复n 人学博f j 论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sar e n e w a b l ea n dc l e a ne n e r g y , s o l a re n e r g yi sap r o m i s i n gr e p l a c e a b l ee n e r g y t ot r a di t i o n a le n e r g ya n di t sa p p li c a t i o nr e s e a r c hh a sb e e no n eo ft h em a i na r e a si nt h e e n e r g yd e v e l o p m e n t ，o w i n gt oi t sa d v a n t a g e so fe n o l t n o u sr e s e r v e s ，i n e x h a u s t b t y a n db e i n gf r i e n d l yt oe n v i r o n m e n t s o l a rc e l l ，o nt h eb a s eo fp h o t o v o l t a i ce f f e c t ，i sa n i m p o r t a n tf o r mo fu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y a st h ec o r eo f t h ep h o t o v o l t a i cs y s t e m s ， s o l a rc e l lh a sb e e np r o d u c e di nl a r g es c a l eo v e rt h ep a s tl0y e a r s ，w i t ha ni n c r e a s eo f m o r et h a n3 0 a n n u a l l y h o w e v e r c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt h e r m a l p o w e r g e n e r a t i o na n dh y d r o p o w e r , s o l a rc e l lh a st h ep r o b l e mo fh i g h e rc o s t t os o l v et h a t ， t h ek e yi st of i n dm e t h o d st or e d u c ep r o d u c t i o nc o s ta n di m p r o v et h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l c u l n s 2 ( c l s ) ，a ni m p o r t a n tl - - v 1 2t e r n a r y s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，h a s e m e r g e da so n eo f t h ep r o m i s i n ga b s o r b e rm a t e r i a l sf o rt h i nf i l ms o l a rc e l l s ，d u et oi t s n o t a b l ea d v a n t a g e so fh i g ha b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，n e a r l yi d e a lb a n dg a pv a l u eo f 1 5 5 e v ，e x c e l l e n tc h e m i c a ls t a b l i l i t ya n dl o wt o x i c i t y a st h el o wc o s tt e c h n i q u e s ， e i e c t r o d e p o s i t i o n ，s p r a yp y r o l y s i s ，p a s t ec o a t i n gt e c h n i q u e s ，s c r e e np r i n t i n ga n do t h e r n o n v a c u u mt e c h n o l o g i e sh a v er e c e n t l yb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e dt ot h ef a b r i c a t i o no f c i sa b s o r b e rl a y e r , w h i l ep a s t ec o a t i n gm e t h o da n ds c r e e np r i n t i n gt e c h n o l o g i e su s i n g t h ep o l y c r y s t a l l i n ec i sc o m p o u n da st h ep r e c u r s o r ，a n ds i n g l e - s o u r c et h e r m a l e v a p o r a t i o na n dc l o s e - s p a c e ds u b l i m a t i o nm e t h o du s i n gt h ec 1 sp o w d e rt op r e p a r e h i g h q u a l i t yc i sf i l m s t h u s ，i nt h ep a p e li t i s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d o ft h e h o m o g e n i z e dp o l y c r y s t a l l i n ec i sc o m p o u n ds i n t e r e da tl o wt e r n p e r a t u r e s ，w h i c hi s c r u c i a lt ot h ep r e p a r a t i o no fc i st h i nf i l ms i n t e r e df r o mb a l l m i l l e dp r e c u r s o r so n g l a s ss u b s t r a t e sa tl o wc o s t a sw ea l lk n o w , t h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f t h ec i st h i nf l l ms o l a r c e l li su pt o2 7 - - - 3 2 t h e o r e t i c a l l y , w h i l et h eh i g h e s tc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr e p o r t e d w a so n l yi2 2 s ot h e r ei sal o to fp o t e n t i a lt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l s o nt h eo t h e rh a n d ，t h en a n o s t r u c t u r eo fa b s o r b i n gl a y e ro fs o l a rc e llc a ni n c r e a s et h e l i g h ta b s o r p t i o n ，a n di m p r o v et h ep h o t o - i n d u c e dc a r r i e r ss e p a r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n a sw e l l ，w h i c hi se f f e c t i v et oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs o l a rc e l l m ot h i nf i l mi su s e da st h eb a c ke l e c t r o d em a t e r i a lo fs o l a rc e l lb ym o r ea n d m o r er e s e a r c h e r s ，b e c a u s eo fi t sg o o dp r o p e r t i e so fh e a ts t a b i l i t y , l o wr e s i s t i v i t ya n da g o o do h m i cc o n t a c tb e t w e e nm o t h i nf i l ma n dt h eu p p e rc i st h i nf i l m m e a n w h i l e ，i t s 3 复旦大学博i ：论文 a b s t r a c t p e r f o r m a n c e sh a v ead i r e c te f f e c to nt h ec r y s t a l l i n eo r i e n t a t i o n ，s u r f a c em o r p h o l o g y a n di n t e r f a c i a lp r o p e r t i e so fc i st h i nf i l mp r e p a r e de x a c t l yo nm ot h i nf i l m ，r e s u l t i n g i nah u g ei m p a c to nt h ep e r f o r m a n c e so fc i st h i nf i l ms o l a rc e l l a d d i t i o n a l l y , t h e s o l a rc e l lr e p o r t e dw i t ht h eh i g h e s tc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sa l s ob a s e do nm ot h i n f i l ma sb o t t o me l e c t r o d e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em ot h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e da st h eb o t t o me l e c t r o d eo f s o l a rc e l l b yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，w h i l et h ec h a l c o p y r i t ec i sp o w d e r sw e r e s y n t h e s i z e db yv a c u u ms i n t e r i n ga tl o wt e m p e r a t u r e ，a n dt h ec i st h i nf i l m sw e r e p r e p a r e db ys i n g l e s o u r c et h e r m a le v a p o r a t i o na n ds o l i d s t a t es u l f u r i z a t i o nm e t h o d t h en e wc i sn a n o r o da r r a yt h i nf i l mw a sa l s or e s e a r c h e d ，b ym e a n so fs o l i d s t a t e s u l f u r i z a t i o nm e t h o d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o i l o w s ： 1 t h eo b s o l e t e de q u i p m e n tw a sr e f i t e di n t oad cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gd e v i c e ， w h i c hw a su s e dt op r e p a r em ot h i nf il m ，a n dt h ee f f e c t so fs p u t t e r i n gc o n d i t i o n so n t h em of il md e p o s i t i o nr a t e ，s t r u c t u r e ，m o r p h o l o g ya n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ew e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d i ns p u t t e r i n gp r o c e s s ，t h em ot h i nf i l mw a sg r o w nw i t h ( 21 1 ) p r e f e r r e do r i e n t a t i o na t i5 0 ，w h i l e ( 1l0 ) p r e f e r r e do r i e n t a t i o ni no t h e rt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s 2 t h ec i sp o w d e rw a ss y n t h e s i z e db yv a c u u ms i n t e r i n gw i t h b o t ht h e p r e c u r s o r si n c l u d i n gc u 、i na n dsp o w d e r s ，a n dc u s 、l n 2 s 3p o w d e r s t h ec h a l c o p y r i t e c i sp o w d e rw a ss y n t h e s i z e dw i t hb a l l m i l l e d p r e c u r s o r si n c l u d i n gc u ，i na n ds p o w d e ri n1 0 - 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s t a t es u l f u r i z a t i o n ，t h et w oa l l o y s w e r et r a n s f o r m e dt oc i st h i nf i l m s ，w h i c hh a dp t y p ec o n d u c t i v i t ya n db a n dg a p so f i 3 4 e va n d1 3 9 e v , r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , t h ec i st h i nf i l m s u l f u r i z e df r o mt h e p r e c u r s o ro fc u 7 l n 3a l l o ya l s oc o n t a i n e das m a l la m o u n to fc u x sb i n a r yp h a s e i n 4 a d d i t i o n t h ec i st h i nf i l md e p o s i t e d o nt h eg | a s s m os u b s t r a t eh a d b e t t e r c r y s t a l l i z a t i o np r o p e r t i e st h a nt h a to nt h em o f o i ls u b s t r a t e 5 t h en e wc i sn a n o r o da r r a yt h i n f i l mw a sp r e p a r e db yt h es o l i d 。s t a t e s u l f u r i z a t i o nm e t h o d i tc a nb eo b s e r v e dt h a tt h ec i sn a n o m da r r a y sw e r eg r o w n v e r t i c a l l yo nt h et h i nf i l mb ys e m ，a n dt h es a m p l ew a sn e a rs t o i c hi o m e t r i ca m o u n to f c i sc o m p o u n db ye d s t h en a n o s t r u c t u r eo fa b s o r b i n gl a y e ro fs o l a rc e l l i su s e dt o i n c r e a s et h ea b s o r p t i o nf o rl i g h ta n di m p r o v et h ep h o t o - i n d u c e dc a r r i e r ss e p a r a t i o n a n dt r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hi sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es o l a r c e l l b e s i d e s w eh a v es t u d i e da n o t h e ri m p o r t a n tl - i i i v 1 2g r o u ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l ，c u l n s e 2c o m p o u n d t h ec u i n s e 2p o w d e rw a ss y n t h e s i z e db yt h ev a c u u m s i n t e r i n gm e t h o d ，a n dt h et h i n f i l mw a sd e p o s i t e do nt h em of o i ls u b s t r a t eb yt h e s o l i d s t a t es e l e n i z a t i o nm e t h o d i ns h o r t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef o c u so nt h ef a b r i c a t i o no fs o l a rc e l l sw i t hh i g h ： e f f i c i e n c ya n dl o wc o s t m a n yr e s e a r c h e sw e r ep e r f o r m e do nt h ep r e p a r a t i o no fc i s p o w d e r s ，t h i nf i l ma n dn e wn a n o r o da r r a y st h i nf i l m ，a sw e l la sm o t h i nf i l m ，w i t ha c e r t a i na m o u n to fr e s e a r c ha c h i e v e m e n t k e y w o r d s ：c u l n s 2t h i nf i l ms o l a rc e l l ，m ot h i nf i l m ，d cm a g n e t o ns p u t t e r i n gm e t h o d ，箸 c u l n s 2p o w d e ls i n g l e s o u r c et h e r m a le v a p o r a t i o nt e c h n i q u e ，s o l i d s t a t e s u l f u r i z a t i o nm e t h o d ，c u l n s 2n a n o r o da r r a y st h i nf i l m 5 姐t 1 人j 纠l i ji 沦卫 i i 引言 第一章前言 f i | = y 乡 j jj 72 0l i t i 乡t f 7 0 ；l 弋的f 危沙；f z 机了，人f f j 越散越消楚j 也u 、叭剑，皂洲勺 m 竭不1 1j f j 疙n 勺污猫! l 成力人类临i ，i ，j 人挑z f t 坛随符人炎乍仃1 = i j 乡f 济沂z 力刈彳阳忆 尺然7i 和煤炭等一物1 1 j l j j ! f i j 依赖ii ，匕蚀i l l 坍，矿物能溅! 修i 沥，j ，j 碱川技，j 邑溯j 。 r i i l i 年l i j f j t 譬f l ：1 1 勺1 ：埘i 攀厂l ，iil j “+ l 乡夺探l9j f l ：j 彳i 翔l i f i 打i i t l 仪勺多f 止j j 人约4 ( ) i i ，人掣7i f i 矗 艟仪够使j tj v j 6 0 7 f ，个球煤炭储越f n 使川 娃j l 汁为l5 ( j 年。l n j ，返j j 呼碳瓴化 合物等f ：l | jn 乍能溯m 使j i l t i - 极踢造成蚪境的污染。此，改变能源纠i 构，j ：发 年l 川i i j i i f7 i - 、厄污染的嗣确匕源，址：y 备l l ，、i 的个蜮为紧j n 的 蔓峪fr 务， ，卜众多力i f 悲汕如 ，人i _ 皂址 _ l ，i - j f f f 牛汀i j ；i f 皂沥! ，! c 矗托ti + 【i 人，l f 上之小琳。 川之1 ：圳，刈j j ：j j 2 九污爿! ，刈。已n ，j 心川川7 ：j 土今厅i 人多：能源发联的1i 篮乃之 干0 j jj 1 乙l u 效j 、j i 丈j 地j ii t q 发l 也j t 人k | i 订邑币| jj l jf | ，jt l 要彤- 匕近f ：_ ：，匕伙j 、。、1 kl 成为 个j 冰斧乡夺济 一i i i 烈，j个 。人lu 池f 1 。为此f j , 系统的 亥，i l 、，lu 池j 。7l l i 眇7 1 j 剁t j 、i ， 卫1i 发j f 芝，j 上的l0 印川，j l ，l1 4 - 年以，呸过3 0 的述嫂增j i l l ( 址h1 1 ) 口r e sc0 fw o r l a 日u n i t is i a “焉 圈 口t a l w a n 。i 1 ：】p r c h l n a 一 _ 卜u l t j d e j a p a n 匦 圈 - 一 二二i i 一萱_ i 2 太阳电池 1 2 i 太阳电池发展历程 人hl 【l j u i ，i l ij i 旦j 辽) 匕il ! 放卜v ! t 奠j 1 乙化。j ! 效j 、vi f _ ! ：；： 1 2 ) 匕f 皂 0 化j ，ku ，匕f | ，j 之乏 。，j 、 i8 3 9 小泣物川乏咏p ! t 乙1 , - l , ：( b c c q u c r e li ：) 发脱光个f 人特徽庸1 ：今，l 绐过j ， i7 0 多 i i f 门泄kj 儿w 。19 5 3 4 1 ，w a y n e + l 、 ，：人。t r i v i c hd a n l 2 i mi - 乙j 戊j i ! j 二人) 匕 嘴的jl 仃，1 ：禁i i i 威膻的符炎利利比l u 换效： ：f 门讹个川! 沦竹。i 欠印1 11 尔 n | | | | | | | | | | j | | | | _? ? | | | | | 姐t 1 人j 纠l i ji 沦卫 i i 引言 第一章前言 f i | = y 乡 j jj 72 0l i t i 乡t f 7 0 ；l 弋的f 危沙；f z 机了，人f f j 越散越消楚j 也u 、叭剑，皂洲勺 m 竭不1 1j f j 疙n 勺污猫! l 成力人类临i ，i ，j 人挑z f t 坛随符人炎乍仃1 = i j 乡f 济沂z 力刈彳阳忆 尺然7i 和煤炭等一物1 1 j l j j ! f i j 依赖ii ，匕蚀i l l 坍，矿物能溅! 修i 沥，j ，j 碱川技，j 邑溯j 。 r i i l i 年l i j f j t 譬f l ：1 1 勺1 ：埘i 攀厂l ，iil j “+ l 乡夺探l9j f l ：j 彳i 翔l i f i 打i i t l 仪勺多f 止j j 人约4 ( ) i i ，人掣7i f i 矗 艟仪够使j tj v j 6 0 7 f ，个球煤炭储越f n 使川 娃j l 汁为l5 ( j 年。l n j ，返j j 呼碳瓴化 合物等f ：l | jn 乍能溯m 使j i l t i - 极踢造成蚪境的污染。此，改变能源纠i 构，j ：发 年l 川i i j i i f7 i - 、厄污染的嗣确匕源，址：y 备l l ，、i 的个蜮为紧j n 的 蔓峪fr 务， ，卜众多力i f 悲汕如 ，人i _ 皂址 _ l ，i - j f f f 牛汀i j ；i f 皂沥! ，! c 矗托ti + 【i 人，l f 上之小琳。 川之1 ：圳，刈j j ：j j 2 九污爿! ，刈。已n ，j 心川川7 ：j 土今厅i 人多：能源发联的1i 篮乃之 干0 j jj 1 乙l u 效j 、j i 丈j 地j ii t q 发l 也j t 人k | i 订邑币| jj l jf | ，jt l 要彤- 匕近f ：_ ：，匕伙j 、。、1 kl 成为 个j 冰斧乡夺济 一i i i 烈，j个 。人lu 池f 1 。为此f j , 系统的 亥，i l 、，lu 池j 。7l l i 眇7 1 j 剁t j 、i ， 卫1i 发j f 芝，j 上的l0 印川，j l ，l1 4 - 年以，呸过3 0 的述嫂增j i l l ( 址h1 1 ) 口r e sc0 fw o r l a 日u n i t is i a “焉 圈 口t a l w a n 。i 1 ：】p r c h l n a 一 _ 卜u l t j d e j a p a n 匦 圈 - 一 二二i i 一萱_ i 2 太阳电池 1 2 i 太阳电池发展历程 人hl 【l j u i ，i l ij i 旦j 辽) 匕il ! 放卜v ! t 奠j 1 乙化。j ! 效j 、vi f _ ! ：；： 1 2 ) 匕f 皂 0 化j ，ku ，匕f | ，j 之乏 。，j 、 i8 3 9 小泣物川乏咏p ! t 乙1 , - l , ：( b c c q u c r e li ：) 发脱光个f 人特徽庸1 ：今，l 绐过j ， i7 0 多 i i f 门泄kj 儿w 。19 5 3 4 1 ，w a y n e + l 、 ，：人。t r i v i c hd a n l 2 i mi - 乙j 戊j i ! j 二人) 匕 嘴的jl 仃，1 ：禁i i i 威膻的符炎利利比l u 换效： ：f 门讹个川! 沦竹。i 欠印1 11 尔 n | | | | | | | | | | j | | | | _? ? | | | | | 复旦人学博士论文第一章前言 实验室研究人员c h a p i n ，f u l l e r 并l l p e a r s o n t m 报道了效率为4 5 的单品硅太阳电池， 随后的几个月里，电池光电转换效率达到6 。1 9 5 8 年，美国人造卫星使川太阳 能电池作为电源，成为世界卜第一个用人阳能供电的卫星，同年，我国丌始人阳 电池的研制，并于1 9 7 1 年将研制的太阳电池用于卫星的供电。在硅太阳电池研究 方面，1 9 6 0 年，h o f f m a n 等实现单晶硅太阳电池效率达到1 4 。1 9 7 6 年，c a r l s o n 和w r o n s k i 4 】制成世界上第一个非品硅太阳电池。澳大利亚新南威尔十大学g r e e n 等1 5 呗u 在1 9 8 5 年成功研制成具有光电转换效率高达2 0 的单晶硅太阳电池，2 0 0 4 年，德国f r a u n h o f e ri s e 多品硅太阳电池效率达至x 2 0 3 。另外，1 9 9 1 年，瑞士洛 桑高等工业学院g r l i t z e l 教授16 】以纳米t i 0 2 多孑l 薄膜为光阳极，以r u 络合物作敏化 染料，并选用1 2 1 3 为氧化还原电解质，发展了一种新型的染料敏化t i 0 2 纳米漳膜 太阳电池，并获得了7 1 的光电转换效率。美国n r e l 实验室1 7 j 则在c i s 薄膜太阳 电池方面取得巨大进展，于l9 9 9 年报道的c u l n s e 2 太阳电池效率达到l8 8 。2 0 0 0 年，w u 等【8 峙陵道的c d t e 太阳电池效率达到1 6 4 ，并且在最近i 年，以该材料为 吸收层的太阳电池效率都未见提高。 1 2 2 太阳电池基本原理 1 2 2 1 太阳电池工作原理1 9 - 1 2 1 - 人阳电池的工作原理是基丁光生伏特效应，其实现光电能最转换必须经历两 个步骤。首先，电池吸收光，产生电了空穴对，然后由器件q j 某一特定结构将 电子和空八对分开，电子流向器件的负极，同时空八流l 幻正极，从而产生光电流。 - 卜血以p - n 结型太阳电池为例进行说明。 ( a ) np e c e f e v 图1 2p n 结模型( a ) 、光照f l u f i g 带图( b ) 、光照后能带图( c ) 图1 2 给m 了p n 结犁人阳电池工作原理示意罔。当p 犁半导体和n 犁结合 在一起，形成p - n 结时，由于它们之问存在载流了浓度梯度，导致了空穴从p 区向n 区扩散，电子从n 区向p 区扩散，这样就会形成空间电1 岢区，并形成一 个4 i 断增强的从n 型半导体指向p 型半导体的内建电场。在内建电场作用下载 流子作漂移运动，当载流子的扩散与漂移达到平衡后，扩散产牛的电流与漂移产 生的电流相等。当光照在p n 结上时，在p n 附近将产生电子守穴对，南丁内 7 复旦大学博士论文第一章前言 建电场的存在，产生的非平衡载流子将向空间电荷区运动，电子向n 区运动， 空穴向p 区移动，这样就会产生光生电动势，打破原来的平衡。如果将p - n 结 和外电路相连，则电路中产生电流，这就称为光生伏特现象。 从能带方面考虑，当形成p n 结时，电子将从费米能级高的n 区流向费米 能级低的p 区，空穴则从p 区流向n 区，因而n 区费米能级e f n 不断下移，且p 区费米能级e f p 不断上升，直至两者达到统一的费米能级e f ，这时的p - n 结处于 平衡状态。实际上，e f 。是随着n 区能带一起下移，e f d 则随着p 区能带一起上 移，这样在空间电荷区中能带发生弯曲，形成势垒区。其势垒高度q v d 为n 型、 p 型半导体单独存在时的费米能级之差。 q v d = e f - e f p ( 1 1 ) 对于非简并半导体： n n o = n i e x p ( 訾) ，n p 。= n i e x p 岛( 1 2 ) 由于礼n o n d ，n p o n i z n a ，则 v 。等l n ( 半( 1 3 ) 其中，v d 为内建电势差； 礼n o 、n p o 分别表示n 区和p 区的平衡电子浓度。 n i 为本征载流子浓度： k o 为波尔兹曼常数： n d 、n a 分别表示n 区的施主浓度和p 区的受主浓度。 由公式( 1 3 ) 表明，内建电势差v d 与p n 结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带 宽度有关。 当光照p - n 结产生电子空穴对时，在内建电场的作用下，电子向n 区流 动，空穴向p 区移动，从而降低了空间电荷区的