CIGS半导体材料的制备及其光电化学性能的研究

• 作 者: 赵嘉毅
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2017年01期
• 关键词: 铜铟镓硒 光电化学 纳米线阵列

随着现代社会对能源需求的不断提高,传统化石能源储量接近枯竭,近年来研究人员始终在尝试寻找一种新型可再生能源作为化石能源等不可再生能源替代品。根据能源来源可分为:风能、氢能、太阳能、地热能与生物能,其中太阳能具有无污染排放,储量充沛,无地域限制等优势,受到国内外研究组织的广泛关注。本质上来说,太阳能来源于太阳内部氢氦核聚变释放出的核能,属于辐射能量。太阳能电池以光电效应为理论基础,将辐射能转换为可为人类使用的电能:通过光解水制氢得到氢能,或通过太阳能电池得到电能。诸多吸收层材料中,铜铟硒（CIS）三元化合物具有低成本、性能稳定、制备工艺简单等优点,成为化合物半导体中研究重点方向。另外通过向CIS晶格中掺入Ga元素,Ga以替位缺陷的形式取代部分In元素使CIS转变为铜铟镓硒（CIGS）四元化合物,将晶体转换为Cu(In_1-xGa_x)Se₂结构,通过调整x的值将半导体禁带宽度在1.02e V¹.67eV之间调控,实现禁带宽度可控这一特性。本文在查阅大量国内外文献的基础上,研究CIGS薄膜材料与CIS纳米线阵列材料的制备与光解水制氢性能分析。具体工作为:1)通过前驱体旋涂和硒化退火的方法制备薄膜结构的CIGS半导体层,研究退火温度对CIGS形貌与Ga/（In+Ga）比值的影响。分析结果表明样品XRD峰位与标准卡片对应良好;微观形貌致密均匀;实验条件下Ga/（In+Ga）比例为31%³3%。光电化学测试结果表明CIGS薄膜光增益现象明显。2)在此基础上,通过化学浴沉积制备硫化镉（Cd S）层、匀胶旋涂法制备硫化钼（Mo S2）层,形成宽带隙与窄带隙半导体的复合结构。通过XPS对宽带隙层进行表征,能带结构显示带隙复合结构可以有效提升光子利用率,光电化学测试结果表明复合结构具有更强的光电流密度。3)通过通孔阳极氧化铝（AAO）模板辅助电沉积制备CIS纳米线阵列,研究线阵列与薄膜材料在光电转换效率方面的差异。测试结果表明线阵列结构由于具有更低的反射率、更小的载流子输运距离,相比薄膜结构体现出更强的净光增益。