CuInSe2和CuInS2材料的溶剂热法制备与表征

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近年来,薄膜太阳能电池由于具有低成本、高性能等优点而引起了人们的广泛关注。CIS类Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体材料(主要包括CuInSe2和CuInS2等)是一种直接能带隙化合物半导体材料,其禁带宽度与太阳光谱有良好的匹配性。由于CIS材料具有较高的吸收系数、带隙宽度可以通过掺杂调节、转换效率高、性能稳定,并且具有优良的抗干扰、抗辐射能力而成为太阳能电池材料中最有发展前途的材料之一。本文选用溶剂热法,研究了不同的反应条件对合成的CIS粉体材料的形貌和物相的影响,并对其生长机理进行了分析,主要研究结果如下:(1)采用溶剂热合成方法,以乙二胺为反应溶剂,以CuCl2·2H2O作为铜源,InCl3·4H2O作为铟源,Se粉为硒源,合成了CuInSe2粉末。利用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪多种测试手段对样品的形貌、晶体结构进行了表征,利用紫外-可见分光光度计测试了CuInSe2的光吸收性能。结果表明:以乙二胺为溶剂在160℃下反应18h可以合成比较均匀的由厚度为100nm左右的纳米片组成的花状CuInSe2微晶。花状微晶的平均直径大约为10μm左右,其在可见光范围内具有良好的吸收性。(2)研究了不同的反应条件(反应时间、反应温度)对CuInSe2产物的影响。结果显示,在不同的反应时间及不同的反应温度下反应对产物的物相和形貌有很大的影响。在反应时间过短或过长时,产物是由杂乱的片状物组成的;在反应温度较低时,可以看到产物的形貌是由花状微球及少量纳米片组成的,反应温度升高到180℃后,其形貌又重新由杂乱的片状物组成。根据形貌及物相的变化对其形成机理进行了探讨。(3)采用溶剂热法合成CuInS2纳米晶体,合成原料为CuCl2·2H2O、 InCl3·4H2O、CH4N2S,所采用的溶剂分别为乙二醇、乙醇、乙二胺、N,N-二甲基甲酰胺(DMF),研究不同的溶剂、反应温度、时间以及硫源对CuInS2纳米晶体形貌和结构的影响。结果表明:在180℃时以乙二醇为溶剂反应18h可以得到纯净的黄铜矿结构的CuInS2材料,不同的反应条件下得到的产物的形貌和结构有很大的不同。在较低的反应温度或较短的反应时间下合成的产物中会产生中间二元相,当反应温度继续升高或进一步延长反应时间,二元相逐渐减少,得到较纯的三元CuInS2产物,但反应时间过长会破坏产物的晶体结构;溶剂亦是影响其形貌和结构的重要因素;采用不同的原料作为硫源时,由于硫源在溶剂中的溶解速度不同从而释放S2-的速度不同,使得产物呈现出不同的形貌。另外,添加表面活性剂可以有效的改善样品的表面形貌。
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