铜基硫族化合物半导体纳米晶的合成及其光电与热电性能研究

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1、学校代码：10259学号：156081132密级：上海应用技术大学硕士学位论文题目：铜基硫族化合物半导体纳米晶的合成及其光电与热电性能研究英文题目：TheSynthesisofCopper-basedChalcogenideCompoundSemconductorNanocrystalsandTheirPhotovoltaicandThermoelectricProperties专业：材料化学工程学院：材料科学与工程学院研究方向：能量转换材料姓名：郑新峰指导教师：刘玉峰副研究员房永征教授2018年5月20日

2、铜基硫族化合物半导体纳米晶的合成及其光电与热电性能研究摘要能源及环境问题日渐成为制约人类社会发展的重要问题。光电转换材料可以直接将太阳光转换为电能，有效避免二氧化碳排放，热电材料可以将太阳辐射的热量转化为电能还可以进行废热回收利用，将光电转换材料和热电材料组装成太阳能光热复合发电系统，可以避免因光电转换材料吸收过多的热量而导致器件温度过高等问题，进而延长太阳能电池的工作寿命，并且增加光伏器件的工作稳定性，从而进一步增加能源的整体利用率。因此，同时对光电转换材料的热电转换性能进行研究，可以充分利用太阳光的红外

3、波段，开创性地发展一种新型的光伏光热联用技术，对我国节能减排目标的实现具有重要的战略意义。此外，光电转换材料和热电材料的性能研究在学术界和工业界越来越引起人们的注意。本论文针对以上问题采用水热法合成Cu2Sn(S,Se)3（CTSSe）以及Cu2ZnSn(S,Se)4（CZTSSe）纳米晶，通过调控材料中硫和硒原子的比例，达到了对纳米晶带隙进行调控的目的。通过纳米晶墨水法成功实现了高质量CTSSe薄膜的制备，并在薄膜太阳能电池应用中获得0.89%的光电转换效率。研究了不同组分条件下固溶体CZTSSe纳米晶的

4、热电性能，同时利用纳米化的方法改善材料的热电性能。本论文的主要研究成果如下：（1）通过水热法合成了不同组分的CTSSe纳米晶，纳米晶平均粒径大小为～6.8nm，并且具有良好的结晶性。通过控制反应物S和Se的摩尔比实现了对CTSSe纳米晶的带隙从1.52到1.20eV线性调控。基于纳米晶墨水法成功地制备出CTSSe薄膜，最终获得致密的、结晶性良好的、具有大晶粒尺寸的CTSSe光电薄膜，薄膜厚度为～2.61μm，薄膜中Cu/Sn/S/Se元素的含量分别30.53、14.71、22.96和25.65%，这与CTS

5、Se中元素化学计量比相一致。根据传统薄膜太阳能电池玻璃/Mo/CTSSe/CdS/i-ZnO/AZO/Ag结构，2太阳能电池器件在测试面积为0.26cm上的光电转化效率为0.89%，电池开路电压Voc-2为310mV，短路电流Jsc为8.20mAcm、填充因子FF为0.27。（2）采用水热法单次宏量制备（≥10g）CZTSSe纳米晶。纳米晶平均粒径大小为～6.7nm，并且具有良好的结晶性，无杂相。CZTSSe的带隙通过控制S和Se的摩尔比（0，0.25，0.5，0.75，1）来实现。随着固溶体中硫含量的增加

6、，CZTSSe纳米晶的带隙从1.52、1.44、1.39、1.34到1.29eV呈线性规律变化。对不同组分纳米晶的热电性能进行表征，−1−1CZTS纳米晶的电导率在300K到700K温度范围内从57.2Scm减少到44.8Scm，这一值要高于非化学计量比的CZTS体材料。不同组分CZTSSe的Seebeck系数从300K～700K呈逐渐增加趋势，CZTSSe（x=0.25）处的Seebeck值在171～316μV/K之间，这一值要高于每一个温度点处其他CZTSSe处的Seebeck系数。CZTSSe（x=0

7、.75）纳-1-1米晶在300K～700K温度范围内热导率由0.99减少到0.74WmK，这一值均要高于其余CZTSSe在各温度点处的热导率。与CZTS和CZTSe以及其他二元体材料相比，CZTSSe纳米晶具有更低的热导率。CZTSSe（x=0.25）纳米晶的ZT值在700K达到0.48，这一值明显高于其它组分在此温度下的热电优值。实验表明从体材料到纳米材料的变化是一种有效提高CZTS纳米晶材料热电优值（ZT）的途径。关键词：CTSSe；CZTSSe；带隙工程；纳米晶；太阳能电池；热电材料TheSynthe

8、sisofCopper-basedChalcogenideCompoundSemconductorNanocrystalsandTheirPhotovoltaicandThermoelectricPropertiesAbstractEnergyandenvironmentproblemsaretwomajorproblemsrestrictingthedevelopmentofhumansociety.Photo