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铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强等优点,被国际上称为最有前途的新型薄膜太阳能电池。但传统的真空蒸发法、溅射后硒化等生产工艺,生产设备复杂,技术要求高,生产成本大,严重阻碍了CIGS太阳能电池的发展。近几年发展起来的非真空制备技术为降低太阳能电池的生产成本提供了新的途径。
本论文主要研究基于溶液方法制备CIGS太阳能电池吸收层材料,通过超声粉碎法、化学还原法制备了铜镓纳米粒子、铜铟镓合金超细粉末,并在此基础上研究粒子的硒化过程及硒化前后粒子晶型、形貌、组成等的变化。
首先,在加热条件下,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为保护剂,应用超声粉碎法制备纳米镓粒子,粒径为50~80 nm。将纳米镓粒子均匀分散于CuS04溶液中,分别以NaBH4和抗坏血酸Vc为还原剂,通过两步还原法制备铜镓纳米粒子。通过XRD、SEM、TEM、EDAX研究了不同元素比例、PVP用量、反应时间等条件对粒径、形貌及组成的影响。通过DSC测得制备的铜镓纳米粒子的熔点约为270C,较纳米镓粒子的熔点明显提高。
其次,在制备铜镓纳米粒子的基础上,以PVP为保护剂,EDTA-2Na为络合剂,NaBH4为还原剂制备铜铟镓合金超细粉末。采用XRD、SEM、EDAX、DSC等检测了粒子的晶型及形貌等。研究表明,Cu2+和In3+都可以被强还原剂NaBH4还原,控制还原剂用量、反应时间、络合剂用量等条件,可以制备出球形、正方体形及纳米棒状结构。经XRD和DSC检测表明,铜铟镓超细粉末主要由Cu9Ga4、Cu16In9、CUllln9三种组份组成,粒子熔点约为300C。
最后,将制得的铜铟镓合金超细粉末、硒粒子粉末、混合溶剂经混合研磨制得实验所需浆料,并通过丝网印刷、预处理等得到铜铟镓硒薄膜。将此薄膜在400 0C条件下硒化30miN,研究不同配料及印刷方式对薄膜结构、形貌及组成的影响。通过XRD检测,硒化后薄膜为CIGS黄铜矿结构,27.1、45.8、52.5有强的衍射峰,结晶性能良好。双层印刷的铜铟镓硒粒子,硒化后薄膜表面致密,粒子形貌均一,形成了很好的铜铟镓硒薄膜。由EDAX确定溥膜中各元素及组成,硒化后薄膜中Cu、In、Ga、Se按一定比例分布,Ga元素平均含量为3.13%,Cu和In平均相对含量基本相当,分别25.00%和24.12%,Se的平均相对含量最高,为47.74%,在N2保护作用下,硒化过程中有一定量的Ga、In元素的损耗。