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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳宏裕
論文名稱:電沉積二硒化銅銦薄膜之研究
論文名稱(外文):Studies on the electrodeposition of CuInSe2 thin film
指導教授:陳榮輝陳榮輝引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:化學系
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
中文關鍵詞:二硒化銅銦薄膜CuInSe2
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二硒化銅銦(CuInSe2,CIS)太陽能電池材料是極具有開發潛力,近來有蓬勃的發展,主要因素在於它具有(1)優異的光電特性(2)材料性質具有長期穩定性而無衰退現象。在許多製備方法中,電沉積法受到廣泛注意,在於它的設備簡易與具有製造大面積表面材料的潛力。
本實驗利用循環伏安分析法在含有氯化物的水溶液中,探討單一元素離子與二元素離子在電沉積過程中電解液各離子的不同組成濃度。以及研究TEA添加與否、酸鹼值大小與施加不同的沉積電位其還原電流與氧化電流的關係,並藉由在不同變因控制下得到的氧化/還原循環伏安譜來了解電沉積CuInSe2薄膜之反應機制。最後使用能量散佈光譜儀得到電沉積薄膜在不同實驗條件下組成比例,並利用CIS薄膜之反應機制來探討組成比例的不同。
CuInSe2 is one of the emerging materials for solar cell applications,and has received considerable attention in recent years.CIS-based solar cells showing conversion efficiencies
of the order of 15% had been reported.They exhibit lone term stability without any signs of degradation.Of the techniques that have been used to fabricated thin films of material including,for example,spray, prolysis, sputtering ,
vacumn evaporation, selenization of metallic films and electrodeposition. Electrodeposition is of particular
interest in offering the greatest potential in terms of low costs and inexpensive deposition system.
In our experiment,CIS films were analyzed from chloride electrolyte by cyclic voltammetry.We focus on different stoichiometry of one ion and two different ions in deposition process.In addition,we study pH value, triethanolamine
addition and different deposition potentials related to reduction current and oxidation current.Cyclic Voltammograms have been obtained to understand the structure of CIS film.
The stoichiometric composition of deposited material is characterized by energy dispersive spectrometer studies.
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅴ
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-1-1 太陽電池種類 2
1-1-2 p-n接面太陽能電池 4
1-1-3 太陽電池的功率 4
1-1-4 轉換效率 6
1-1-5 半導體光電性質 6
1-1-5-1直接能隙躍遷 7
1-1-5-2非直接能隙躍遷 7
1-1-5-3光吸收 8
1-2 二硒化銅銦材料的研究 9
1-2-1 二硒化銅銦之材料特性與晶體結構 9
1-2-1-1 CuInSe2的材料特性 9
1-2-2 CuInSe2的晶體結構 10
1-2-2太陽光譜 10
1-2-3太陽光譜與CuInSe2薄膜吸收光譜比較 11
1-2-4CuInSe2薄膜製備 12
1-2-5 一步驟電沉積回顧 14
1-3 研究動機 19
第二章 原理 20
2-1 電化學原理 20
2-1-1循環伏安法 20
2-1-2可逆反應 21
2-1-3極化現象 23
2-1-4電鍍液電位與pH值分析 24
2-1-5 Pourbaix diagram探討Cu、In、Se 26
2-2 儀器原理 27
2-2能量分散光譜儀 27
第三章 實驗部分 28
3-1藥品與電極 28
3-1-1 電沉積電解液組成 28
3-1-2 電極系統 28
3-2 裝置與儀器 31
3-3 實驗步驟 33
第四章 結果與討論 35
4-1循環伏安譜之分析 35
4-1-1 單一元素之CV圖分析 35
4-1-2 二元素之CV圖分析 39
4-2化學計量 43
4-2-1 三種離子的相對濃度討論 43
4-2-2 電解液之不同酸鹼值 46
4-2-3施加不同的沉積電位 47
第五章 結論 49
第六章 參考文獻 84
圖目錄
圖1-1 矽太陽電池 51
圖1-2矽p-n接面太陽電池簡圖 52
圖1-3 p-n接合部的內部電場 53
圖1-4 太陽能電池之電壓-電流特性 54
圖1-5(a) 直接能隙躍遷能階與波向量圖 55
圖1-5(b) 非直接能隙躍遷能階與波向量圖 55
圖1-6 不同半導體材料的光吸收係數 56
圖1-7CdS/CuInSe2太陽薄膜電池 57
圖1-8 黃銅礦結構 58
圖1-9 閃鋅礦結構 59
圖1-10 太陽輻射光譜圖 60
圖1-11大氣圈外(AMO)和地表上(AM1)之太陽能量光譜圖 61
圖1-12 太陽光譜與InP/CdS、CuInSe2/CdS、Si電池光譜範圍
之比較圖 62
圖 2-1(a) 電位掃描循環 63
圖 2-1(b) 量測所得電流 63
圖 2-1(c) 循環伏安結果 63
圖 2-2 含有6.0mM K3Fe(CN)6與1.0M K2CO3的溶液所產生的
循環伏圖 64
圖2-3 K3Fe(CN)6濃度vs.電極表面至溶液之距離 65
圖2-4 在電極上之OX+ne- →Red反應中的各步驟 66
圖2-5 對Cu、In與Se穩定區重疊電位圖 67
圖3-1 循環伏安法系統 32
圖4-1 Cu2+與TEA沉積模式圖(a)TEA分子附著於ITO電極上(b)Cu-TEA錯合物覆蓋在TEA分子上(c)Cu-TEA錯合物被TEA分子所包覆 68
圖4-2 CuCl2+HCl(a)4mM(b)7mM(c)10mM,pH=2.5,
不加TEA 69
圖4-3 CuCl2+HCl 4mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,不加TEA 70
圖4-4 CuCl2+HCl 4mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,加TEA 70
圖4-5 CuCl2+HCl 10mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,不加TEA 71
圖4-6 CuCl2+HCl 10mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,加TEA 71
圖4-7 SeO2+HCl(a)4mM(b)5mM(c)7mM(d)16 mM,
pH=1.5,未加TEA 72
圖4-8 SeO2+HCl(a)4mM(b)5mM(c)7mM(d)16 mM,
pH=1.5,加TEA 72
圖4-9 SeO2+HCl 7mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,加TEA 73
圖4-10 InCl3+HCl(a)4mM(b)7mM(c)9mM(d)22 mM,
pH=2.5,未加TEA 74
圖4-11 InCl3+HCl(a)4mM(b)7mM(c)9mM(d)22 mM,
pH=2.5,加TEA 74
圖4-12 InCl3+HCl 9mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,不加TEA 75
圖4-13 InCl3+HCl 9mM(a)pH=1.5(b)pH=2.0
(c)pH=2.5,TEA 75
圖4-14圖4-15 ﹝Cu2+﹞=1.5mM,﹝Se4+﹞=5.5mM,pH=2.5,
電位0.4V∼-0.75V —0.75V∼1.4V 76
圖4-15﹝Cu2+﹞=22mM,﹝In3+﹞=12mM,pH=2.5,未加TEA 77
圖4-16﹝Cu2+﹞=22mM,﹝In3+﹞=12mM,pH=2.5,加TEA 77
圖4-17﹝Se4+﹞=2mM,﹝In3+﹞=22mM,pH=2.4,加TEA 78
表目錄
表4-1 銅離子(Cu2+)與硒離子(Se4+)在水溶液中特定反應的熱力學數據 79
表4-2 (a)銦離子(In3+)與硒離子(Se4+)在水溶液中特定反應的
熱力學數據 80
表4-2 (b)銅離子(Cu2+)、銦離子(In3+)與硒離子(Se4+)在水溶液中特定反應的熱力學數據 80
表4-3 Cu2+ 與Se4+離子濃度固定,改變In3+的濃度 81
表4-4 Cu2+ 與Se4+離子濃度固定,改變In3+的濃度 81
表4-5 Cu2+ 與In3+離子濃度固定,改變Se4+的濃度 82
表4-6 pH值對薄膜組成的影響 82
表4-7 改變沉積電位對沉積薄膜組成的影響 83
表4-8 改變沉積電位對沉積薄膜組成的影響 83
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