簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 胡翰叡
Hu, Han-Jui
論文名稱: 以電鍍法製備銅鋅錫硫薄膜太陽能電池元件之研究
Fabrication of Cu2ZnSnS4 Thin Film Solar Cell Device by Electrodeposition
指導教授: 黃聖杰
Hwang, Sheng-Jye
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 73
中文關鍵詞: 銅鋅錫硫太陽能電池元件
外文關鍵詞: Cu2ZnSnS4(CZTS), Solar cell devices
相關次數: 點閱:73下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 近年來薄膜型太陽能電池的研究主要在於效率的提升以及尋找新的材料來取代原有的材料,以銅銦鎵硒(CIGS)為例,由於銅銦鎵硒的材料昂貴,具有高危險性等缺點,因此,本研究使用銅鋅錫硫來替代銅銦鎵硒,做為薄膜太陽能電池的吸收層。本研究中使用分層電鍍法來製備銅、鋅與錫等前驅物。再通硫化氫氣體於高溫熱處理爐中,將硫元素沉積在基板上,產生銅鋅錫硫四元相的吸收層,再透過X光繞射儀(XRD)與拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy)分析其晶體結構、掃描式電子顯微鏡(SEM)來觀測表面型態、能量分散光譜儀(EDS)來分析元素組成比例,透過這些分析儀器可以驗證本研究所製備的吸收層銅鋅錫硫的正確性。
    本研究使用許多不同的條件下的參數來製備前驅物,其中包括鍍膜厚度、鍍層的堆疊順序與硫化條件等不同,嘗試找出一組較佳的製程參數,並運用此製程參數所製備的前驅物來做太陽能電池元件的主要吸收層,再堆疊出後續的緩衝層(CdS)、透光層(AZO)與電極層(Al),進而做出完整的太陽能電池元件。

    Nowadays, people try to improve efficiency and find new material to replace the original material on research of thin film solar cells. For example about Cu(In,Ga)Se2(CIGS),due to it has high cost and toxicity these two defects. Therefore, Cu2ZnSnS4(CZTS) was taken as a thin film solar cell absorber layer in the research. This thesis used layer by layer electrodeposition method to fabricate precursors (Cu, Sn and Zn). The precursors were sulfurized by annealing in H2S gas atmosphere, and it would be deposited Sulfur on the precursors, then the precursors would recombine with a new quaternion phases(Cu2ZnSnS4). The Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films were analyzed and verified by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS).
    In this research, several conditions were used to fabricate the precursors, including thickness of the thin film, sequence of the metal layers and sulfurization conditions to try finding proper parameters in processing, and using them to fabricate the main absorber layer of the solar cells. And then, these main layer was deposited another layers, such as buffer layer(CdS), window layer(AZO) and metal electrode(Al). Finally, solar cell devices were fabricated completely.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 表目錄 VII 圖目錄 VIII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 太陽能電池介紹 2 1-2-1 太陽能電池原理 2 1-2-2 矽晶太陽能電池 5 1-2-3 III-V族太陽能電池 6 1-2-4 銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池 7 1-2-5 染料敏化(DSSC)太陽能電池 8 1-3 研究目的與動機 9 1-4 論文架構 10 第二章 電鍍與銅鋅錫硫太陽電池基本原理 11 2-1 文獻回顧 11 2-2 電鍍基本原理 13 2-2-1 定電位電解法(chronoamperometry) 14 2-2-2 定電流電解法(chronopotentiometry) 14 2-2-3 光澤與平整性 15 2-2-4 電鍍膜厚計算 15 2-3 硫化鎘(CdS)製程 16 2-3-1 化學水浴沉積法(Chemical Bath Deposition) 16 2-3-2 硫化鎘(CdS)緩衝層 17 2-4 CZTS薄膜太陽能電池元件結構 19 2-4-1 鉬背電極(Mo back electrode) 19 2-4-2 銅鋅錫硫吸收層(CZTS absorber layer) 19 2-4-3 緩衝層(Buffer layer) 20 2-4-4 透光層(Window layer) 20 2-4-5 金屬電極層(Metal electrode) 20 第三章 實驗設備與流程 21 3-1 實驗設備 21 3-2 分析儀器 24 3-2-1 X光繞射儀(X-Ray Diffraction) 24 3-2-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope) 26 3-2-3 能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy) 28 3-2-4 拉曼光譜儀(Raman Spectroscopy) 29 3-3 實驗流程 30 3-3-1 鉬玻璃基板前處理 30 3-3-2 電鍍液配置 31 3-3-3 電鍍參數設定 35 3-3-4 分層電鍍 37 3-3-5 硫化熱處理 38 3-3-6 薄膜特性分析 39 3-3-7 硫化鎘之堆疊 40 3-3-8 透光層及電極層之堆疊 41 第四章 實驗結果與討論 43 4-1 試片型態 43 4-2 不同堆疊下的前驅物分析 43 4-3 不同硫化條件下的前驅物分析 46 4-3-1 SEM分析結果 47 4-3-2 XRD分析結果 55 4-3-3 Raman分析結果 61 4-4 太陽能電池元件分析 65 4-5 結果與討論 69 第五章 結論與未來展望 70 5-1 結論 70 5-2 未來展望 70 參考文獻 72

    [1] 行政院節能減碳推動會,“國家節能減碳總計畫”,2010
    [2] 莊家琛,“太陽能工程-太陽電池篇”,全華科技圖書,2006
    [3] André CailléWorld, Majid Al-Moneef, and Francisco Barnés de Castro, “2007 Survey of Energy Resources”, World Energy Council, 2001
    [4] 工業技術研究院,“太陽熱能產業趨勢”,2008
    [5] 工業技術研究院,“太陽光電能源應用”,2008
    [6] 翁敏航,“太陽能電池-原理、元件、材料、製程與檢測技術”,東華書局,2010
    [7] 蔡進譯,“超高效率太陽電池-從愛因斯坦的光電效應談起”,物理雙月刊,2005
    [8] 戴寶通、鄭晃忠,“太陽能電池技術手冊”,台灣電子材料與元件協會,2007
    [9] A. Ennaoui, M. Lux-Steiner, A. Weber, D. Abou-Ras, and I. Kotschau, “Cu2ZnSnS4 thin film solar cells from electroplated precursors:Novel low-cost perspective, ” Thin Solid Films, 517, 2511-2514, 2009
    [10] N. Nakayama, K. Ito, “Sprayed films of stannite Cu2ZnSnS4, ” Applied Surface Science, 92, 171-175, 1996
    [11] H. Katagiri, K. Jimbo, S. Yamada, T. Kamimura, W.S. Maw, T. Fukano, T. Ito, T. Motohiro, “Enhanced Conversion Efficiencies of Cu2ZnSnS4-Based Thin Film Solar Cells by Using Preferential Etching Technique, ” Applied Physics Express, 1, 041201, 2008
    [12] G. Norsworthy, C.R. Leidholm, A. Halani, V.K. Kapur, R. Roe, B.M. Basol, R. Matson, “CIS film growth by metallic ink coating and selenization, ” Solar Energy Materials and Solar Cells, 60, 2, 127-134, 2000
    [13] C. Steinhagen, M. G. Panthani, V. Akhavan, B. Goodfellow, B. Koo, B. Korgel, “Synthesis of Cu2ZnSnS4 nanocrystals for use in low-cost photovoltaics, ” Journal of the American Chemical Society, 131, 12554-12555, 2009
    [14] K. Wang, O. Gunawan, T. Todorov, B. Shin, S.J. Chey, N.A. Bojarczuk, D. Mitzi, S. Guha, “Thermally evaporated Cu2ZnSnS4 solar cells, ” Applied Physics Letters, 97, 143508-143503, 2010
    [15] 楊仁德,“太陽能電池材料”,五南圖書出版社,2008
    [16] J. J. Scragg, D. M. Berg, and P. J. Dale, “A 3.2% Efficient Kesterite Device from Electrodeposited Stacked Elemental Layers, ” Journal of Electroanalytical Chemistry, 646, 52–59, 2010
    [17] 林麗娟,“X光繞射原理及其運用”,工業材料,1994

    無法下載圖示 校內:2018-07-29公開
    校外:不公開
    電子論文尚未授權公開,紙本請查館藏目錄
    QR CODE