【精品】低温合成的CuInSe2(CIGS)碳纳米管阵列在导电玻璃太阳能电池基板的应用.ppt

CIS/CIGS太阳电池，由于其独特的结构和出色的光电特性，如合并Ga和/或S的可控能带隙、高吸收系数、以及长期稳定性，铜铟硒(CIS)和相关材料(CuInSe2,Cu(InxGa1-x)Se2, CuIn(SxSe1-x)2)已经被认为是最有前景的多晶硅替代品的光伏应用 虽然大约20%的高转化率已经在多晶Cu(InxGa1-x)Se2(CIGS)薄膜太阳电池上被证实，但它的广泛应用还没有实现 最近，一项低成本涂层技术，能在透明导电基板上制作CIGS纳米薄膜。在这个过程中，CIGS纳米晶首先在溶剂中被分解用来产生涂料，以在加热条件下在基板上涂层形成CIGS薄膜 然而，基于这种薄膜的设备的能量转换率很低，因为在CIGS纳米晶与衬底之间的不良电接触所产生的串联电阻是很高的。一种可能缓解这个问题的办法是直接在透明导电基板上生长CIGS纳米结构 一维核/壳纳米管阵列被认为是最有前景的光伏应用结构，因为它比传统平面固态P-N节结构设备和纳米晶染料敏化太阳电池更有优势。 而在透明导电基板上生长的ZnO/CIS 核/壳纳米管阵列被认为是光伏应用中一种很有前景的结构 ZnO和CuSe纳米管阵列可以分别通过在醋酸溶液中溶解ZnO/ZnSe和ZnO/CuSe纳米管的内层的ZnO 纳米核心来制备。CIS纳米管可以用CuSe纳米管作为牺牲模板与In3+通过多元醇还原反应过程来制备(如果用ZnO/CuSe核/壳纳米管替代，ZnO核在H+离子中慢慢溶解而制得) 图 a和b所示，分别是200°C下在三甘醇(TEG)溶液(2.0mM)经过30小时制备的一维高致密CIS纳米结构在SEM下的俯视图和截面图 c和d中显示了一维封闭尖端纳米结构在一个鞘状纳米管阵列形成空心的内部结构 e显示了高解析度SEM纳米管图像。多晶纳米管的壁厚大约为15nm f显示了选区内电子衍射（SAED）样式，这表明纳米管是多晶的。 a显示了在FTO玻璃上生长的ZnO纳米管阵列的典型SEM图像。ZnO纳米棒的长度一般为2-3μm，直径为50-100nm b：浸在Se2-离子溶液中，Se2-和ZnO之间的离子交换反应会在纳米棒上形成连续的ZnSe层，形成ZnO/ZnSe核/壳纳米管 c中显示了ZnO/ZnSe核/壳纳米管的TEM图像。在整个杆上，光强分布显示了清晰的变化，以及边缘显示了清晰的亮度对比 d中显示的，鞘状ZnSe纳米管的形成已经被进一步确认，通过把ZnO/ZnSe核/壳纳米管阵列浸泡在醋酸溶液中以溶解内层的ZnO而得到 e中的电子衍射图显示了立方ZnSe的多晶结构 f显示纳米管的EDX光谱表明了仅包含Zn和Se的纳米管的原子比例是47:53 ?在近期的工作中，CIS纳米管的形成可能被以下步骤取代： 制备Se2-离子溶液：Se + 2BH4- Se2- + H-2 + 2BH3 ZnSe鞘层的形成：ZnO + Se2- + H2O ZnSe + 2OH - CIS纳米管的形成： HO(CH2CH2O)2CH2CH2OH HO(CH2-CH2O)2CH2CHO + 2H 2CuSe + In3+ + H CuInSe2 + Cu2+ + H+ ZnO纳米管的溶解：ZnO + 2H+ Zn2+ + H2O 当ZnO/CuSe核/壳纳米管阵列在TEG溶剂中与足够的In3+离子反应，从CuSe到CIS的转化就被认为是多元醇还原过程导致的。29-32TEG(HO(CH2CH2O)2CH2CH2OH)在每个分子里有两个羟基。在高温下，一个羟基可以贡献两个氢原子并转化为一个醛基。33-35氢原子将会贡献一个电子变成H+离子，并且Cu2+离子获得电子降价为Cu+。同时在纳米管中ZnO纳米棒的核心也同时被氢离子分解。 拥有可控Cu/In比率的CIS纳米管直接生长在用ZnO纳米管作为模板形成的低消耗低温可穿透的导电基材上。原产品和产生的材料在溶解度上的巨大差异促进了化学变化中的有效离子交换。CIS纳米管在可见光区域显示出的吸收系数为104cm-1，这远大于CuSe的吸收系数，从而导致在光电（PEC）太阳能电池上有大约2倍的功率转换效率提高。此外，这种合成方法可以延伸应用在其他的一维可穿透导电基材上，这对它们在各种光电设备上的应用大有益处。