电沉积制备硫族光电热电薄膜及其表征

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随着能源需求量的增大和不可再生能源储量的减少,能源尤其是可再生能源的合理开发和利用愈发重要。太阳能是清洁、无污染和储量大的能源,可以通过太阳能电池实现光电转换,热电材料可以将废热废气以及太阳光辐射产生的热量转换成电能,有效缓解能源危机。CuInSe2和CuInS2因其热稳定性好,光吸收系数高等优点均成为具有发展前景的光电材料。Cu2-XSe和Bi2Se3作为二元热电材料也已成为国内外研究的热点。本文主要采用电沉积法制备CuInSe2、CuInS2、Cu2-xSe和Bi2Se3薄膜,研究了电沉积和后处理工艺对薄膜成相、表面形貌及其他性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和分光光度计对薄膜进行表征。(1)采用一步电沉积制备CuInSe2光电薄膜,研究了沉积电位、溶液pH、溶液温度、沉积时间和络合剂等电沉积工艺对薄膜成相和形貌的影响,结果表明原料CuCl2·2H2O、InCl3、SeO2和柠檬酸钠浓度配比分别为6mmol/L、8mmol/L、6mmol/L和5 mmol/L,溶液pH=2.0,沉积电位为-0.5V,溶液温度20℃,沉积时间为30min时,可以得到CuInSe2薄膜;薄膜表面为颗粒分布,颗粒直径范围约为0.5-1.5μm,薄膜表面较为致密连续。(2)采用电沉积后硫化两步法制备CuInS2光电薄膜,研究了沉积电位、沉积时间、溶液温度以及硫化工艺对薄膜成相和形貌的影响,结果表明原料CuCl2·2H2O、InCl3、 Na2S2O3·5H2O和柠檬酸钠浓度配比分别为10mmol/L、10mmol/L、100mmol/L和1.25mmol/L,pH=3.5,沉积电位为-1.0V,沉积时间为30min,溶液温度为25℃时可得到CuInS2前驱体薄膜,前驱体薄膜在350℃下硫化6h得到结晶良好的CuInS2薄膜;薄膜表面呈块状分布,且大小较为均匀,经热处理薄膜表面有少许空洞;前驱体薄膜及硫化后均含有铜、铟和硫三种元素,并且硫化后薄膜中硫元素含量明显提高。(3)采用一步电沉积法制备Cu2-xSe热电薄膜,研究了沉积电位和溶液pH对Cu2-xSe薄膜成相和形貌的影响,结果表明原料CuCl2·2H2O、SeO2和柠檬酸钠浓度配比分别为6mmol/L、12mmol/L和50 mmol/L,溶液pH=2.5,沉积电位为-0.5V,溶液温度20℃,沉积时间为30min时得到Cu2-xSe薄膜;薄膜表面呈长度约为1μm的棒状分布,薄膜致密连续,表面平整。(4)采用电沉积法制备Bi2Se3热电薄膜,并对薄膜进行热处理,研究了沉积电位、沉积时间、溶液温度和热处理工艺对薄膜成相和形貌的影响,结果表明原料浓度为4mmol/L Bi2O3和5 mmol/L SeO2的溶液,在沉积电位为-0.4V,溶液pH=1.0,沉积时间为20min,溶液温度为25℃C时可以得到Bi2Se3薄膜;并且在350℃下热处理2h或400℃下热处理1h时均可明显提高Bi2Se3薄膜的结晶性;薄膜表面存在颗粒团聚和棒状结晶,且分布不规律。
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