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研究生： 吳兆偉
Wu, Janw-Wei
論文名稱： 以多元醇法製備CZTSe及CATSe單晶鋅黃錫礦相晶粒及其光電性質分析
Synthesis of kesterite CZTSe and CATSe Nanocrystals by Polyol Method and their Characterization and Optical Electrical Properties Measurements
指導教授： 高騏
Gau, Chie
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 航空太空工程學系碩士在職專班
Department of Aeronautics & Astronautics (on the job class)
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 65
中文關鍵詞： 鋅黃錫礦 、銅鋁錫硒 、銅鋅錫硒 、太陽能電池 、多元醇 、奈米粒子
外文關鍵詞： kesterite, CATSe, CZTSe, solar cell, polyol, nanoparticle
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    • 在此研究中，我們利用多元醇法合成出具有單一鋅黃錫礦晶相結構的Cu2AlSnSe4及Cu2ZnSnSe4奈米粒子。Cu2AlSnSe4奈米粉體使用氯化銅(CuCl2)、氯化鋁(AlCl3)、氯化錫(SnCl2)及硒元素(Se)藥品製備。合成出的奈米粒子其晶粒大小約介於60-110nm之間；Cu2ZnSnSe4奈米粉體則使用氯化銅(CuCl2)、氯化鋅(ZnCl2)、氯化亞錫(SnCl2)及硒元素(Se)藥品製備。合成出的奈米粒子其晶粒大小約介於60-100nm之間。
    在合成CATSe及CZTSe奈米粒子中我們藉由不同合成溫度、時間及分散劑，對銅鋁錫硒及銅鋅錫硒奈米粒子特性之影響，並且透過穿透式電子顯微鏡(TEM)、XRD分析、能量散譜儀(EDS)分析銅鋁錫硒及銅鋅錫硒奈米粒子的物理性質。另製作成薄膜透過霍爾量測分析薄膜之電性以及光學特性，未來可以應用在太陽能電池之吸收層。

    In this study, we report the synthesis in polyol method nanocrystals of kesterite Cu2AlSnSe4 and Cu2ZnSnSe4. Cu2AlSnSe4 nanocrystals were synthesized from Copper(II) chloride, Aluminium(III) chloride, Tin(II) chloride and selenium. The nanocrystals ranging from 60 to 110 nm in diameter were synthesized in solution. Cu2ZnSnSe4 nanocrystals were synthesized from Copper(II) chloride, Zinc Chloride, Tin(II) chloride and selenium. The nanocrystals ranging from 60 to 100 nm in diameter were synthesized in solution.

    In the synthesis CATSe and CZTSe nanoparticles by different synthesis temperature, time and surfactant to influence the nanoparticle characteristics. Analysis of the physical properties of the CATSe and CZTSe nanoparticles by Transmission electron microscopy (TEM)、X-ray powder diffractometer (XRD) and Energy dispersive spectrometer(EDS).Made into micrometer-thick films and analysis of the optical electrical properties by Hall measurements. With the desired properties, these thin films shall be employed for the absorb layers of solar cells.

    目錄 摘 要................................................... I Abstract............................................... Ⅱ 誌謝.................................................... Ⅲ 目錄.................................................... Ⅳ 表目錄.................................................. Ⅶ 圖目錄...................................................Ⅷ 第一章 緒論.............................................. 1 1.1研究背景............................................. 1 1.2研究動機及目的........................................ 3 第二章 文獻回顧與理論說明.................................. 5 2.1由溶液製備的奈米粒子................................... 5 2.1.1 水熱/溶熱法(Hydrothermal / Solvothermal method).... 5 2.1.2 沉澱法(Precipitation method)...................... 6 2.1.3 溶膠法(Sol method)................................ 8 2.2 由不同溶液方法製備奈米粒子............................. 9 2.2.1溶熱法製備奈米粒子................................... 9 2.2.2沉澱法製備CZTS奈米粒子............................... 9 2.2.3溶膠法製備CZTS奈米粒子............................... 11 2.3 Cu2ZnSnSe4材料性.................................... 12 第三章 實驗方法步驟與實驗設備.............................. 13 3.1 實驗藥品與儀器....................................... 13 3.1.1 實驗藥品.......................................... 13 3.1.2 一般實驗儀器....................................... 15 3.1.3 X光粉末繞射儀(X-ray powder diffractometer)........ 15 3.1.4 多功能X光繞射儀(Multipurpose thin-film x-ray diffractometer).........................................16 3.1.5 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope; TEM)....................................................17 3.2 Cu2ZnSnSe4奈米粒子的製備與分析........................ 18 3.2.1 合成CZTSe奈米粒子.................................. 18 3.2.2 實驗流程.......................................... 18 3.3 Cu2AlSnSe4奈米粒子的製備與分析........................ 19 3.3.1 合成CATSe奈米粒子.................................. 19 3.3.2 實驗流程.......................................... 20 3.4 Cu2ZnSnS4奈米粒子的製備與分析......................... 20 3.4.1 合成CZTS奈米粒子................................... 20 3.4.2 實驗流程.......................................... 21 3.5 Cu2AlSnS4奈米粒子的製備與分析......................... 21 3.5.1 合成CATS奈米粒子................................... 21 3.5.2 實驗流程.......................................... 22 3.6 Cu2ZnSnSSe4奈米粒子的製備與分析....................... 22 3.6.1 合成CZTSSe奈米粒子................................. 22 3.6.2 實驗流程.......................................... 23 3.7 薄膜之製備........................................... 24 3.7.1 薄膜塗佈.......................................... 24 3.7.2 薄膜燒結.......................................... 25 第四章 實驗結果與討論..................................... 26 4.1 合成CZTSe奈米粉末.................................... 26 4.1.1 反應溫度對合成CZTSe粉末的影響....................... 26 4.1.2 反應時間對合成CZTSe粉末的影響....................... 27 4.1.3 CZTSe奈米粉末結構分析................................28 4.2 合成CATSe奈米粉末......................................29 4.2.1 反應溫度對合成CATSe粉末的影響......................... 29 4.2.2 反應時間對合成CATSe粉末的影響......................... 30 4.2.3 CATSe奈米粉末結構分析................................31 4.3 合成CZTS奈米粉末.......................................32 4.4 合成CATS奈米粉末.......................................32 4.5 合成CZTSSe奈米粉末.....................................32 4.6 薄膜吸收層探討及分析....................................33 4.6.1 CZTSe薄膜吸收層分析..................................33 4.6.2 CATSe薄膜吸收層分析..................................34 第五章 結論................................................35 參考文獻..................................................36 表目錄 表1.1 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池真空與非真空製程的差異比較.......... 39 表4.1合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子成分比..........................39 表4.2合成Cu2AlSnSe4奈米粒子成分比..........................40 表4.3 CZTSe及CATSe薄膜之霍爾量測結果.......................40 圖目錄 圖 1-1 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物的可能組成..........................41 圖 1-2 各類太陽能電池吸收材料對於各波長之吸收係數..............41 圖 2-1 I2-II-IV-VI4族化合物架構圖.........................42 圖 2-2 kesterite(鋅黃錫礦)結構圖..........................42 圖 2-3 五種 CZTS晶胞結構圖................................43 圖 3-1 晶體繞射X光時，布拉格方程式之幾何關係..................43 圖 3-2 低掠角X光繞射示意圖.................................44 圖 3-3 回流系統示意圖.....................................44 圖 3-4 合成CZTSe奈米粒子流程...............................45 圖 3-5 合成CATSe奈米粒子流程...............................46 圖 3-6 合成CZTS奈米粒子流程................................47 圖 3-7 合成CATS奈米粒子流程................................48 圖 3-8 合成CZTSSe奈米粒子流程..............................49 圖 4-1 JCPDS#52-0868....................................50 圖 4-2 反應5小時，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)280℃(c)300℃(d)320℃...........50 圖 4-3 反應6小時，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)280℃(c)300℃(d)320℃...........51 圖 4-4 反應7小時，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)280℃(c)300℃(d)320℃...........51 圖 4-5 反應溫度280度，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)5小時(c)6小時(d)7小時............52 圖 4-6 反應溫度300度，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)5小時(c)6小時(d)7小時............52 圖 4-7 反應溫度320度，合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為 (a)JCPDS#52-0868(b)5小時(c)6小時(d)7小..............53 圖 4-8 反應溫度280度，反應時間7小時合成Cu2ZnSnSe4奈米粒子EDX圖..53 圖 4-9 合成CZTSe奈米粒子之TEM圖(Cu2ZnSnSe4).................54 圖 4-10 (a)JCPDS#75-0101、(b)JCPDS#78-0600................55 圖 4-11 反應時間5小時，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)280℃(d)300℃(e)320℃......56 圖 4-12 反應時間6小時，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)280℃(d)300℃(e)320℃......56 圖 4-13 反應時間7小時，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，溫度分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)280℃(d)300℃(e)320℃......57 圖 4-14 反應溫度280度，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)5小時(d)6小時(e)7小時..57 圖 4-15 反應溫度300度，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)5小時(d)6小時(e)7小時.. 58 圖 4-16 反應溫度320度，合成Cu2AlSnSe4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為(a)JCPDS#78-0600(b)JCPDS#75-0101(c)5小時(d)6小時(e)7小時.. 58 圖 4-17 反應溫度320度，反應時間7小時合成Cu2AlSnSe4奈米粒子EDX圖59 圖 4-18 合成CATSe奈米粒子之TEM圖(Cu2AlSnSe4)................60 圖 4-19 JCPDS#26-0575....................................61 圖 4-20 反應溫度280度，合成Cu2ZnSnS4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為(a)JCPDS#26-0575(b)6小時(第一次實驗)(c)6小時(第二次實驗).........61 圖 4-21 JCPDS#75-0100....................................62 圖 4-22 反應溫度280度，合成Cu2AlSnS4奈米粒子XRD圖譜，時間分別為 (a)JCPDS#75-0100(b)5小時(c)6小時(d)7小時.................. 62 圖 4-23 反應溫度280度，合成Cu2ZnSn(SxSex-1)4奈米粒子XRD圖譜，分別為(a)JCPDS#26-0575(b)JCPDS#52-0868(c)6小時...............63 圖 4-24 (a)CZTSe奈米粒子塗佈於玻璃基板，經退火450℃ 30分鐘(b) CATSe奈米粒子塗佈於玻璃基板，經退火450℃ 30分鐘............... 64 圖 4-25 CZTSe薄膜之PL圖譜................................ 65 圖 4-26 CATSe薄膜之PL圖譜................................65

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    下載圖示 校內：2014-09-06公開
    校外：2017-09-06公開
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