化学浴法制备SnS薄膜
化学浴法制备SnS薄膜[20200408102447]
摘要
传统化石能源的短缺以及由燃烧化石能源造成的环境污染是当前人类面对的两大问题，开发清洁的可再生能源有望解决能源和环境这两个问题。太阳能以其巨大的总量、可持续开发和无污染的优点进入人们的视野。利用太阳能的方法有很多，太阳能光伏发电则是一种直接将太阳能转化成电能的能源利用方式，具有较为广阔的能源利用前景和商业前景。但目前硅电池光伏发电的成本过高，导致太阳能电池的发电仍然无法和传统发电竞争。可以利用低成本的太阳能电池材料及制备工艺来降低太阳能电池的制造成本，从而降低光伏发电的成本。
本论文采用廉价的、适用于大面积沉积薄膜的化学浴沉积法制备SnS,并研究了制备工艺对SnS薄膜结构、形貌及性能的影响。在此基础上制备了不同参数的SnS薄膜，为研究更高效薄膜电池打下基础。
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关键字:太阳能电池材料化学浴SnS薄膜
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
第二章 薄膜的制备方法及原理 3
2.1主要实验设备及原料 3
2.2化学浴方法及其原理 3
2.3 样品性能表征和测试方法 4
2.3.1 X射线衍射 4
2.3.2 扫描电子显微镜 5
2.3.3分光分度计及薄膜带隙计算 7
第三章 化学与法制备SnS薄膜及其性能 8
3.1 前言 8
3.2 SnS薄膜制备的制备 9
3.3 Sn和S元素比例对SnS薄膜性能的影响 9
3.4 沉积温度对SnS薄膜性能的影响 13
3.5 溶液pH值对SnS薄膜性能的影响 17
第四章 结论及展望 21
4.1 本文结论 21
4.2 展望 21
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源是人类社会发展进步的基本保障，进入21世纪以来，经济全球化进程明显加快，经济社会快速发展，能源问题已经引起全球局势的不稳定，上世纪末美国著名《洛杉矶时报》发表的一篇题为《即将来临的石油危机——真正的危机》的文章中表示，今后10年左右，世界石油供应似乎是充足的。而在今后20年左右的时间，全球石油产量可能开始出现持续下降现象。虽然市场力量和石油生产技术的改进可能使石油供应继续保持到21世纪，但是石油危机的到来仍然是不可避免的，甚至可能比一般人的设想早得多。与此同时，传统化石能源在使用中会对环境造成严重污染。化石能源燃烧产生的碳、氮和硫的氧化物是导致全球温室效应、酸雨和其他并发灾难的主要因素。传统化石能源的短缺以及由其造成的环境污染是当前人类面对的两大问题。核能是一种高效率的能源利用方式，但是由于技术不成熟，在利用过程中产生的有辐射的废料对环境造成了极大的危害，严重影响了人类的生存。1979年美国的三哩岛核泄漏事故，1986年切尔诺贝利核电厂泄露事故，1957年英国温德斯格尔水灾，2011年日本福岛核电站泄漏等等，使许多国家和地区意识到了核能在带来巨大利益的同时，也存在着很大的危险性。开发清洁可持续能源来代替传统化石能源已迫在眉睫。
中国是世界上最大的发展中国家，中国飞速发展的制造业、工业对能源的需求非常高，而中国的传统能源人均占有量世界排名靠后，只有加大开发可再生能源的力度，才能缓解中国所面对的严峻的能源问题，提高国家的综合竞争力。
当前可利用的可再生能源大致分为三种，第一种是地热能，第二种是潮汐能，第三种则是太阳能。在这三种里面，太阳能以其巨大的总量和可持续开发的优点逐渐进入人们的视野。预计到2050年全球的能源需求量将会是现在的两倍，且可再生能源消费总量将占到能源消费总量的50%。目前太阳能主要有光热转换和光电转换两种利用形式。光热转换是将太阳能转化成热能，再将热点通过其他途径如化学能。动能等转化成电能。光电转换则是利用半导体光生伏特效应直接将光能转化成电能加以利用。前者太阳能经过多次转换，效率比后者有明显降低，且光电转化具有发电形式简单、环境友好（无噪声、零排放）、安装维护简单，可在沙漠等无人地区使用且不需人员长期值守、性能稳定，使用寿命长、便于产业化生产等优点。然而，目前硅电池光伏发电依然没有发展到并网平价发电的阶段，太阳能发电的成本仍然比传统能源发电高。这就要求我们一方面提高电池光电转换效率，一方面降低电池成本。使用薄膜化电池的方法可以同时满足上述两个要求。目前，三种技术较为成熟的薄膜太阳能电池已经投入生产和使用：非晶硅（a-Si）电池，碲化镉(CdTe)电池和铜铟镓硒电池(CIGS)。其中尤其是CIGS电池的转换效率已高达20.3%，已经非常接近单晶硅电池的转换效率。然而，大规模生产CIGS电池依然面对许多困难，主要问题还是成本太高，其中的金属元素Ga和In地球储量稀少，预计将在未来10～20年内用完，其次In元素的毒性也大大制约了CIGS电池的进一步发展。
因此开发一种组成元素丰富且无毒无公害太阳能电池材料就显得极为重要。本论文采用廉价的、适用于大面积沉积薄膜的化学浴沉积法制备SnS,并详细研究了工艺对SnS薄膜结构、形貌及性能的影响。在此基础上制备了不同参数的SnS薄膜，为研究更高效多元硫化物薄膜电池打下基础。
第二章 薄膜的制备方法及原理
2.1主要实验设备及原料
本文所用到的实验设备及原料分别见表2.1与表2.2。
表2. 1实验设备
设备名称 制造商 型号 用途
PH计 三信仪表厂 PHS-3C 测量溶液pH值
数显恒温水浴锅 上海江星仪器有限公司 HH-2 控制水浴温度
恒温磁力搅拌机 上海司乐仪器有限公司 B11-3 搅拌溶液
电子天平 上海上平仪器有限公司 FA1004 称量药品
超声清洗机 昆山超声仪器有限公司 KQ-100E 清洗衬底
表2. 2主要原料
名称 化学式 纯度 用途
氯化锡 SnCl2·2H2O 分析纯 作为锡源
柠檬酸铵 C6H5O7(NH4)3 分析纯 作为络合剂
硫代硫酸钠 Na2S2O3 分析纯 作为硫源
2.2化学浴方法及其原理
化学浴法是由溶解在反应溶液的试剂通过一系列反应在固体沉底（本文采用的是玻璃衬底）上得到薄膜的一种工艺。
以本文研究的SnS的化学浴制备为例，如果在含有自由Sn2+离子的溶液中加入Na2S2O3，则容易人会马上出现SnS。但由于Sn2+与Na2S2O3直接接触，反应速度过快，溶液中出现的SnS是沉淀而非吸附在衬底上的薄膜。但如果在加入Na2S2O3之前加入可与Sn2+离子形成稳定络合物的络合剂，再加入可缓慢水解释放出S2-的含硫化合物。这样，溶液中的自由Sn2+离子与自由S2-离子的浓度将大大降低，使得溶液中的Sn2+离子与S2-离子扩散到衬底附近并沉积在衬底上形成SnS薄膜可能性将大大提高。当溶液中的Sn2+离子与S2-离子浓度降低后，Sn2+络合物和含硫化合物会自动释放出自由Sn2+离子与S2-离子，释放出来的离子继续沉积在衬底上，以此不断循环，直到Sn2+的络合物中不再有Sn2+离子释放出，最终可得到有一定厚度的SnS薄膜。可以通过改变反应物的浓度、沉积温度、溶液pH值等可控制溶液中Sn与S的总浓度，及相应的自由离子的浓度，来控制SnS薄膜的厚度、导电率、形貌等。
2.3 样品性能表征和测试方法
本论文用到的表征设备如表2.3所示：
表2. 3表征设备
名称 生产商 型号 用途
X射线衍射 Rigaku SA-HF3 物相确定
扫描电子显微镜 Zeiss Sigma 表面形貌、截面形貌
分光光度计 Shimadzu UV-2550 测透过率、反射率
X射线能谱线 牛津仪器 X-act 元素比例及均匀性
2.3.1 X射线衍射
X射线衍射（XRD）是一种常用的分析薄膜结构的方法，实现XRD测试的设备是X射线衍射仪，如图2.1。如果薄膜材料是晶体结构，由于晶体中原子的有序排列，当X 射线入射到薄膜中时与薄膜中的原子阵列相互作用而在薄膜衍射图谱中产生特征衍射峰。且只有在光程差等于X射线波长的整数倍时衍射峰才能得到增强，而在其他情况下则会被减弱或抵消。将薄膜材料的衍射图谱与标准衍射图谱库中的衍射图谱对比可初步判断薄膜材料的结构；将薄膜的衍射图谱与标准衍射图谱中峰的衍射位置及相对强度比较可以判断薄膜的择优取向。
摘要
传统化石能源的短缺以及由燃烧化石能源造成的环境污染是当前人类面对的两大问题，开发清洁的可再生能源有望解决能源和环境这两个问题。太阳能以其巨大的总量、可持续开发和无污染的优点进入人们的视野。利用太阳能的方法有很多，太阳能光伏发电则是一种直接将太阳能转化成电能的能源利用方式，具有较为广阔的能源利用前景和商业前景。但目前硅电池光伏发电的成本过高，导致太阳能电池的发电仍然无法和传统发电竞争。可以利用低成本的太阳能电池材料及制备工艺来降低太阳能电池的制造成本，从而降低光伏发电的成本。
本论文采用廉价的、适用于大面积沉积薄膜的化学浴沉积法制备SnS,并研究了制备工艺对SnS薄膜结构、形貌及性能的影响。在此基础上制备了不同参数的SnS薄膜，为研究更高效薄膜电池打下基础。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:太阳能电池材料化学浴SnS薄膜
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
第二章 薄膜的制备方法及原理 3
2.1主要实验设备及原料 3
2.2化学浴方法及其原理 3
2.3 样品性能表征和测试方法 4
2.3.1 X射线衍射 4
2.3.2 扫描电子显微镜 5
2.3.3分光分度计及薄膜带隙计算 7
第三章 化学与法制备SnS薄膜及其性能 8
3.1 前言 8
3.2 SnS薄膜制备的制备 9
3.3 Sn和S元素比例对SnS薄膜性能的影响 9
3.4 沉积温度对SnS薄膜性能的影响 13
3.5 溶液pH值对SnS薄膜性能的影响 17
第四章 结论及展望 21
4.1 本文结论 21
4.2 展望 21
参考文献 23
致谢 25
第一章 绪论
1.1 研究背景
能源是人类社会发展进步的基本保障，进入21世纪以来，经济全球化进程明显加快，经济社会快速发展，能源问题已经引起全球局势的不稳定，上世纪末美国著名《洛杉矶时报》发表的一篇题为《即将来临的石油危机——真正的危机》的文章中表示，今后10年左右，世界石油供应似乎是充足的。而在今后20年左右的时间，全球石油产量可能开始出现持续下降现象。虽然市场力量和石油生产技术的改进可能使石油供应继续保持到21世纪，但是石油危机的到来仍然是不可避免的，甚至可能比一般人的设想早得多。与此同时，传统化石能源在使用中会对环境造成严重污染。化石能源燃烧产生的碳、氮和硫的氧化物是导致全球温室效应、酸雨和其他并发灾难的主要因素。传统化石能源的短缺以及由其造成的环境污染是当前人类面对的两大问题。核能是一种高效率的能源利用方式，但是由于技术不成熟，在利用过程中产生的有辐射的废料对环境造成了极大的危害，严重影响了人类的生存。1979年美国的三哩岛核泄漏事故，1986年切尔诺贝利核电厂泄露事故，1957年英国温德斯格尔水灾，2011年日本福岛核电站泄漏等等，使许多国家和地区意识到了核能在带来巨大利益的同时，也存在着很大的危险性。开发清洁可持续能源来代替传统化石能源已迫在眉睫。
中国是世界上最大的发展中国家，中国飞速发展的制造业、工业对能源的需求非常高，而中国的传统能源人均占有量世界排名靠后，只有加大开发可再生能源的力度，才能缓解中国所面对的严峻的能源问题，提高国家的综合竞争力。
当前可利用的可再生能源大致分为三种，第一种是地热能，第二种是潮汐能，第三种则是太阳能。在这三种里面，太阳能以其巨大的总量和可持续开发的优点逐渐进入人们的视野。预计到2050年全球的能源需求量将会是现在的两倍，且可再生能源消费总量将占到能源消费总量的50%。目前太阳能主要有光热转换和光电转换两种利用形式。光热转换是将太阳能转化成热能，再将热点通过其他途径如化学能。动能等转化成电能。光电转换则是利用半导体光生伏特效应直接将光能转化成电能加以利用。前者太阳能经过多次转换，效率比后者有明显降低，且光电转化具有发电形式简单、环境友好（无噪声、零排放）、安装维护简单，可在沙漠等无人地区使用且不需人员长期值守、性能稳定，使用寿命长、便于产业化生产等优点。然而，目前硅电池光伏发电依然没有发展到并网平价发电的阶段，太阳能发电的成本仍然比传统能源发电高。这就要求我们一方面提高电池光电转换效率，一方面降低电池成本。使用薄膜化电池的方法可以同时满足上述两个要求。目前，三种技术较为成熟的薄膜太阳能电池已经投入生产和使用：非晶硅（a-Si）电池，碲化镉(CdTe)电池和铜铟镓硒电池(CIGS)。其中尤其是CIGS电池的转换效率已高达20.3%，已经非常接近单晶硅电池的转换效率。然而，大规模生产CIGS电池依然面对许多困难，主要问题还是成本太高，其中的金属元素Ga和In地球储量稀少，预计将在未来10～20年内用完，其次In元素的毒性也大大制约了CIGS电池的进一步发展。
因此开发一种组成元素丰富且无毒无公害太阳能电池材料就显得极为重要。本论文采用廉价的、适用于大面积沉积薄膜的化学浴沉积法制备SnS,并详细研究了工艺对SnS薄膜结构、形貌及性能的影响。在此基础上制备了不同参数的SnS薄膜，为研究更高效多元硫化物薄膜电池打下基础。
第二章 薄膜的制备方法及原理
2.1主要实验设备及原料
本文所用到的实验设备及原料分别见表2.1与表2.2。
表2. 1实验设备
设备名称 制造商 型号 用途
PH计 三信仪表厂 PHS-3C 测量溶液pH值
数显恒温水浴锅 上海江星仪器有限公司 HH-2 控制水浴温度
恒温磁力搅拌机 上海司乐仪器有限公司 B11-3 搅拌溶液
电子天平 上海上平仪器有限公司 FA1004 称量药品
超声清洗机 昆山超声仪器有限公司 KQ-100E 清洗衬底
表2. 2主要原料
名称 化学式 纯度 用途
氯化锡 SnCl2·2H2O 分析纯 作为锡源
柠檬酸铵 C6H5O7(NH4)3 分析纯 作为络合剂
硫代硫酸钠 Na2S2O3 分析纯 作为硫源
2.2化学浴方法及其原理
化学浴法是由溶解在反应溶液的试剂通过一系列反应在固体沉底（本文采用的是玻璃衬底）上得到薄膜的一种工艺。
以本文研究的SnS的化学浴制备为例，如果在含有自由Sn2+离子的溶液中加入Na2S2O3，则容易人会马上出现SnS。但由于Sn2+与Na2S2O3直接接触，反应速度过快，溶液中出现的SnS是沉淀而非吸附在衬底上的薄膜。但如果在加入Na2S2O3之前加入可与Sn2+离子形成稳定络合物的络合剂，再加入可缓慢水解释放出S2-的含硫化合物。这样，溶液中的自由Sn2+离子与自由S2-离子的浓度将大大降低，使得溶液中的Sn2+离子与S2-离子扩散到衬底附近并沉积在衬底上形成SnS薄膜可能性将大大提高。当溶液中的Sn2+离子与S2-离子浓度降低后，Sn2+络合物和含硫化合物会自动释放出自由Sn2+离子与S2-离子，释放出来的离子继续沉积在衬底上，以此不断循环，直到Sn2+的络合物中不再有Sn2+离子释放出，最终可得到有一定厚度的SnS薄膜。可以通过改变反应物的浓度、沉积温度、溶液pH值等可控制溶液中Sn与S的总浓度，及相应的自由离子的浓度，来控制SnS薄膜的厚度、导电率、形貌等。
2.3 样品性能表征和测试方法
本论文用到的表征设备如表2.3所示：
表2. 3表征设备
名称 生产商 型号 用途
X射线衍射 Rigaku SA-HF3 物相确定
扫描电子显微镜 Zeiss Sigma 表面形貌、截面形貌
分光光度计 Shimadzu UV-2550 测透过率、反射率
X射线能谱线 牛津仪器 X-act 元素比例及均匀性
2.3.1 X射线衍射
X射线衍射（XRD）是一种常用的分析薄膜结构的方法，实现XRD测试的设备是X射线衍射仪，如图2.1。如果薄膜材料是晶体结构，由于晶体中原子的有序排列，当X 射线入射到薄膜中时与薄膜中的原子阵列相互作用而在薄膜衍射图谱中产生特征衍射峰。且只有在光程差等于X射线波长的整数倍时衍射峰才能得到增强，而在其他情况下则会被减弱或抵消。将薄膜材料的衍射图谱与标准衍射图谱库中的衍射图谱对比可初步判断薄膜材料的结构；将薄膜的衍射图谱与标准衍射图谱中峰的衍射位置及相对强度比较可以判断薄膜的择优取向。
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