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1、桂 林 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文分 类 号 ： O65 密 级 ：编 号 ： 102010230桂 林 理 工 大 学硕 士 研 究 生 学 位 论 文乙醇溶剂热法合成 CuInS2 及其光电性能研究专 业： 分析化学研究方向：光谱分析与化学计量学研 究 生： 杨正晓指导教师： 杨建文 教授论 文 起 止 日 期 ： 2010 年 9 月 至 2013 年 4 月桂 林 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文Study on preparation and photoelectric properties of CuInS2by ethanol solvothermal meth
2、odMajor： Analytical ChemistryDirection of Study： Spectroscopy and chemometricsGraduate Student： Yang ZhengxiaoSupervisor： Prof. Janwen YangCollege of Chemical and Biological EngineeringGuilin University of TechnologySeptember,2010 to April,2013桂 林 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文桂 林 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要本文综述了 C
3、uInS2 薄膜太阳电池的研究现状，系统的介绍了其晶体结构、电学、光学特性及其薄膜制备方法。研究了乙醇溶剂热法制备 CuInS2 的技术条件，采用浆料涂 覆 法 制 备 光 阳 极 ， 并 研 究 其 光 电 转 换 性 能 。以 CuCl2、 InCl3 和 CH4N2S 为 原 料 ， 乙 醇 为 反 应 溶 剂 ， 系 统 地 探 讨 了 CuInS2 粉 末 的合成条件，并借助 XRD、 SEM、 EDS、紫外可见分光光度计等对产物的物相、形貌、元 素 比 及 光 学 特 性 进 行 研 究 。 结 果 表 明 ， 原 料 CuCl2、 InCl3、 CH4N2S 的 摩 尔 比 为
4、1 1 4（ 其 中 CuCl2 的 浓 度 为 0.0375 mmol/ml） 、 填 充 度 为 80%时 ， 在 180 下 密 封 反 应10 h， 得 到 (112)晶 面 择 优 生 长 的 纯 黄 铜 矿 结 构 CuInS2。 SEM 和 EDS 分析表明，产物由光 滑 球 形 颗 粒 和 粗 糙 球 形 颗 粒 组 成 ， 颗 粒 粒 径 为 几 到 十 几 微 米 ， 两 种 颗 粒 表 面 的 Cu、 In、S 原 子 比 分 别 为 1.28 1 2.19 和 1.35 1 2.14。 其 光 吸 收 谱 范 围 为 350 800 nm， 禁带 宽 度 约 为 1.4
5、8 eV， 光 电 转 换 效 率 为 0.45%， 短 路 电 流 密 度 为 2.2910-3 A/cm2， 开 路 电压 为 0.61 V， 填 充 因 子 为 0.211。研 究 了 不 同 Cu/In 原 料 配 比 下 合 成 产 物 的 物 理 化 学 性 能 。 XRD 分析表明，当 Cu/In比 从 0.8 到 1.5 顺 次 增 大 时 ， 产 物 均 为 纯 黄 铜 矿 相 ， Cu/In 比 为 1.0 时 产 物 的 结 晶 程 度 最好 。 SEM 测 试 结 果 表 明 ， 粗 糙 微 球 表 面 形 貌 随 Cu/In 比 增 大 变 得 杂 乱 。 EDS 分
6、 析 表 明 ，当 原 料 Cu/In 比 为 0.8 和 0.9 时，产物表面的原子比基本符合 CuInS2 的 化 学 计 量 比 ； 当Cu/In 比 大 于 1 时 ， 产 物 表 面 的 原 子 比 偏 离 化 学 计 量 比 程 度 趋 于 增 大 ， 并 且 粗 糙 微 球 表面 偏 离 更 加 严 重 。 紫 外 -可 见 光 谱 分 析 表 明 ， Cu/In 比 增 大 ， 合 成 产 物 的 禁 带 宽 度 呈 减 小趋 势 。 光 电 转 换 性 能 测 试 表 明 ， Cu/In 比 为 0.8、 0.9 时 产 物 的 光 电 转 换 效 率 较 高 ， 分 别为
7、0.82%和 0.8%； 当 Cu/In 大 于 1 时 ， 产 物 的 光 电 转 换 效 率 显 著 下 降 ， 并 且 随 着 Cu/In比 的 增 大 ， 产 物 的 光 电 转 换 效 率 递 减 ， 这 可 能 与 合 成 产 物 中 元 素 比 偏 离 化 学 计 量 比 的 程度 相 关 。关键词：溶剂热， CuInS2， 光 伏 材 料 ， Cu/In， 光 电 性 能-I-桂 林 理 工 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractThe present status and developing tendency of CuInS2 thin film-composit
8、e solar cell aresummarizes and its materials crystal structure, electrical, optical characteristics and filmpreparation methods were introduced. This paper investigated the preparation conditions ofCuInS2 with ethanol solvothermal method by slurry coating means, and studied thephotoelectric conversi
9、on properties of CuInS2.The synthetic procedure was started with CuCl2、 InCl3 and CH4N2S as raw material andethanol as solvent. The factors that affect the synthesizing conditions of CuInS2 powders hadbeen explored. Microstructure, ingredient, distribution and optical properties of the CuInS2powders
10、 were analyzed by means of SEM, EDS, and XRD. When the molar ratio of CuCl2、InCl3、 CH4N2S was 1 1 4(CuCl2 concentration was 0.0375 mmol/ml ), the filling is 80%,the powder are preferentially oriented in the (112) directions in growing to gain chalcopyritestructure powder body for 10 h in 180 . SEM a
11、nd EDS analysis shows that the product iscomposed of smooth spherical particles and rough spherical particles, its size for a few todozens of micrometers, the atomic ratio of Cu, In, S coated on two kinds of particles surfacewere 1.28 1 2.19 and 1.35 1 2.14. Its light absorption spectrum range from
12、350 nm to800 nm, the band gap is about 1.48 eV, the photoelectric conversion efficiency is 0.45%, theshort circuit current density of 2.2910-3 A/cm2, the open circuit voltage of 0.61 V and thefilling factor is 0.211.According to the different Cu/In ratio as raw materials, this paper studies the phys
13、ical andchemical properties of different synthetic products. XRD analysis indicated that, the productsare chalcopyrite phase when Cu/In ratio is increased from 0.8 to 1.5,with the best degree ofcrystallinity when Cu/In ratio was 1.0 . SEM test results showed that the rough surface of themicrospheres
14、 morphology became cluttering with Cu/In ratio increases. EDS analysis showedthat when the raw material of the Cu/In ratio were 0.8 and 0.9, the surface atomic ratio of theproduct with the stoichiometric ratio of the CuInS2; when the Cu/In ratio is larger than 1, thedegree that surface atomic ratio
15、of the product deviates from the stoichiometric ratio increasescontinually, and the rough surface of the microspheres deviate more serious. UV-visiblespectra showed that with the Cu/In ratio increases, the band gap of the synthesized productdecreased. Photoelectric conversion performance tests showe
16、d that when the Cu/In ratiowere0.8 and 0.9, the product of a higher photoelectric conversion efficiency were 0.82% and0.8%, when the Cu/In was larger than 1, the product of the photoelectric conversionefficiency was decreased significantly, and with the Cu/In ratio increases, the photoelectricconversion efficiency of the product descending, which may be related to the degree thatsurface atomic ratio
