[BMIm][BF4]-EtOH体系电沉积CIGS薄膜的工艺与共沉积行为

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CuIn1-x-x GaxSe2(CIGS)薄膜太阳能电池具有效率高、禁带宽度可调、稳定性好、抗辐射能力强等突出优点,且与其他太阳能电池相比价格低廉、性能良好并节省物料,将成为未来太阳能电池发展的一个重要方向。目前,CIGS薄膜制备方法的高能耗、高成本问题是限制其大规模应用的突出瓶颈。因此,研究低能耗、低成本的CIGS薄膜制备方法具有非常重要的理论意义与实际应用价值。本论文采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm][BF4])与乙醇(Et OH)混合成的[BMIm][BF4]-Et OH体系用于电沉积法制备CIGS薄膜,研究[BMIm][BF4]-Et OH混合体系的性质、电解液中Et OH含量对电沉积CIGS薄膜性质的影响、混合电解液中CIGS薄膜的电沉积工艺及三维有序大孔(3DOM)的CIGS薄膜的电沉积工艺,并对混合电解液中乙醇对CIGS的共沉积机制影响及聚苯乙烯微球模板(PS)对CIGS的电化学行为的影响进行了探讨。[BMIm][BF4]与Et OH混合后,混合电解液的电化学窗口比[BMIm][BF4]略有缩小且轻微负移,其中Et OH含量25 vol.%的混合电解液电化学稳定性最好;通过量子化学计算结合傅里叶变换红外光谱的结果,发现乙醇分子与离子液体的阴、阳离子形成氢键,并且氢键的形成在一定范围内降低了混合体系的能量。通过量子化学计算与分子动力学(MD)模拟可知,[BMIm][BF4]和Et OH的混合物具有最小的分子轨道能量差值(ΔE),在金属Mo(110)表面表现出比乙醇和[BMIm][BF4]更强的化学吸附,所以[BMIm][BF4]和乙醇的混合物是在Mo(110)表面上保持稳定吸附的最佳选择。[BMIm][BF4]-Et OH混合体系比[BMIm][BF4]更适用于一步恒流电沉积CIGS薄膜。通过循环伏安法研究了乙醇含量对一元体系(Cu、In、Ga、Se)、多元体系(Cu-Se、Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se)电化学行为的影响,发现混合电解液中的Et OH会促进Cu2+和Se4+的还原,抑制In3+和Ga3+还原,故Et OH含量较高的电解液制备的沉积层In、Ga含量不足;电沉积制备的沉积层是由金属与合金混合而成的,其过程是从Se与Cu-In合金开始、进一步Cu-Se合金、In-Se合金,然后Cu-In-Se合金,最终还原得到金属Ga,沉积层经过热处理发生合金相的连续转变最终成为CIGS薄膜。通过研究[BMIm][BF4]-Et OH混合体系中Et OH含量对电沉积CIGS薄膜性能的影响,验证了循环伏安的结果:Et OH含量较高的电解液会造成薄膜中元素比例失衡。采用乙醇含量25 vol.%的混合电解液电沉积CIGS薄膜,实验优化后的一步恒流电沉积CIGS薄膜的电解液组成为:c(Cu Cl2)=10 mmol·L-1,c(In Cl3)=25 mmol·L-1,c(Ga Cl3)=50 mmol·L-1,c(Se Cl4)=20 mmol·L-1;沉积工艺条件为:电流密度3 m A·cm-2,沉积温度40℃,沉积时间30 min,搅拌速率550r·min-1。经过热处理后得到的CIGS薄膜为富Ga的、结晶良好的、黄铜矿结构的p型半导体,禁带宽度1.41 e V,光电流密度0.019 m A·cm-2。研究了[BMIm][BF4]-Et OH混合体系中,PS模板辅助一步恒流电沉积制备3DOM的CIGS薄膜。优化后的电沉积3DOM的CIGS薄膜的镀液组成与沉积工艺为:c(Cu Cl2)=10 mmol·L-1,c(In Cl3)=10 mmol·L-1,c(Ga Cl3)=50 mmol·L-1,c(Se Cl4)=20 mmol·L-1,电流密度3 m A·cm-2,沉积温度40℃,沉积时间10 min,搅拌速率550 r·min-1。CIGS薄膜中的Ga含量会随着PS微球直径的增大而降低,从而使薄膜的禁带宽度减小,PS模板微球直径为300 nm、500 nm、700 nm与900 nm制备的CIGS薄膜均为富Ga且结晶良好的黄铜矿结构,其中微球直径500 nm的薄膜禁带宽度1.69 eV,光电流密度0.020 m A·cm-2。通过循环伏安法研究了PS模板的存在对[BMIm][BF4]-Et OH混合体系中一元体系(Cu、In、Ga、Se)、多元体系(Cu-Se、Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se)电化学行为的影响。发现PS模板的存在使In3+的还原路径发生变化、Ga3+发生欠电势沉积、Se4+的还原步骤缺失,进而直接导致电沉积3DOM的CIGS薄膜组成的变化。
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