硫化银薄膜的原位制备及光/热电性能研究

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能量利用是推动人类社会可持续发展的源动力。为了缓解化石燃料大量使用导致的环境污染问题,全世界加大了对清洁能源研究和使用的力度。清洁且储量丰富的太阳能有望在一定程度上取代部分化石燃料,为世界提供绿色电能。光电转换和光热转换是两种普遍利用太阳能的有效方式,其中光电转换过程依靠太阳能电池将光能直接转化为电能;光热转换可以通过集热设备将光能转化为热能,然后利用蒸气轮机或者温差发电机间接转变为电能。由此可见,研究低成本、高效率、环境友好的材料制备高性能光电和热电转换器件对于社会的可持续发展是必要的。硫化银(Ag2S)是一种具有高化学稳定性的、环境友好的窄带隙半导体材料,其光吸收系数高、吸光范围广,在光电转换领域极具发展前景。另外,Ag2S的中温相具有与常见热电材料相当的禁带宽度,也是一种具有潜力的温差发电机材料。因此,硫化银材料的研究受到了人们广泛的关注。本文利用低温原位元素直接反应的方法,在不同基底表面制备了具有不同形貌和结构的Ag2S薄膜材料,分别研究了其光电转换和热电转换性质。初步组装了基于上述Ag2S薄膜的太阳能电池和温差发电机器件,并对它们的性能进行了深入研究,主要内容如下:1.在不同的低温条件下(85℃、60℃和45℃),将溅射在基底表面的单质银薄膜浸泡到硫的硫化钠水溶液中进行反应,快速地(反应时间分别约为3 min、8 min、25 min)原位生成Ag2S薄膜材料。通过XRD、SEM等表征与分析,研究反应温度、银单质薄膜前驱体厚度、硫前驱体浓度等条件对Ag2S薄膜生长的影响。发现该方法制备的Ag2S薄膜材料具有(-103)晶面优势取向,且结晶度高。瞬态表面光电压(TSPV)测试表明,制备的Ag2S薄膜是一种光电性能良好的N型半导体,其中在60℃条件下生长的Ag2S薄膜的光电性能表现最优。在成功制备Ag2S薄膜的基础上,组装了以Ag2S作为光吸收层和P型有机小分子半导体材料Spiro-OMeTAD为空穴传输层的薄膜太阳能电池器件,结构为ITO/Ag2S/Spiro-OMeTAD/Au,在一个标准太阳下获得了 1.34%的光电转换效率(PCE)。2.通过元素直接反应的方法将溅射在白玻璃基底上的不同厚度的Ag单质薄膜与60℃的S前驱体溶液(Na2S+S粉溶于DMF中)反应生成Ag2S薄膜。通过变温XRD和SEM等手段表征分析了制备的Ag2S薄膜的物相及形貌。利用综合物性测量系统测量了 Ag2S薄膜的塞贝克(Seebeck)系数及热导率(k),利用霍尔效应测试仪(Hall)测试了 Ag2S薄膜的载流子浓度(nH)、载流子迁移率(μH)及电阻率(P),并用电阻率计算得到了电导率(σ),根据塞贝克系数、电导率及热导率计算了各个样品的功率因子(PF=S2σ)和热电优值(zT=S2σT/k)。结果表明,低温元素直接反应法制备的Ag2S薄膜材料在600K附近具有较大的热电优值,可以达到0.83±0.30。本部分工作为Ag2S薄膜热电材料的制备及研究提供了新的思路。本课题的创新点主要表现在以下几个方面:(1)使用硫的硫化钠水溶液为硫源,利用低温元素直接反应原位制备了结晶性高且致密平整的Ag2S薄膜,并分析了不同反应温度对Ag2S薄膜形貌及结晶性的影响;(2)研究了快速生长的、具有平面结构的Ag2S薄膜的光生载流子动力学过程,并组装以此为光吸收层的太阳能电池器件(PCE=1.34%);(3)首次将此方法制备的同一 Ag2S薄膜应用于热电领域,获得了相对较高的热电优值(zT=0.83±0.30),获得了同时具有较好光电和热电性能Ag2S薄膜,有望推动银基硫族化合物半导体材料同时在光电和热电领域的发展。
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