FeS2及FeS2-TiO2復合薄膜的制備與光電性能研究.pdf

1、立方晶系的FeS2(pyrite)是一種黃鐵礦結構的化合物半導體,其理論禁帶寬度為0.95 eV,光吸收系數(shù)高達105cm-1,較高的光吸收系數(shù)使FeS2薄膜不需要很大的厚度就可以充分吸收太陽光,從而使其成為一種非常有潛力的太陽能電池光吸收材料。目前,制備FeS2薄膜的工藝路線大多采用一步法和兩步法。一步法直接制備的FeS2薄膜一般存在S空位及FeS2-x等過渡相,偏離化學計量比現(xiàn)象嚴重,而采用兩步法,即首先制備先驅體薄膜再在特定的硫氣

2、氛中退火處理,可以得到成分比較理想的薄膜材料。
　　 緊跟國際研究進展,本文首先采用低成本,非真空的溶膠凝膠技術制備了氧化鐵先驅體并結合后續(xù)硫化熱處理得到了性能優(yōu)良的FeS2薄膜。考慮到先驅體薄膜的組織特性及后續(xù)硫化過程中硫化參數(shù)的變化對最終薄膜組織和性能具有決定性的影響,首先考察了溶膠凝膠過程參數(shù)對先驅體氧化鐵膜組織特征的影響規(guī)律,然后研究了硫化溫度,硫化時間及摻雜效應對FeS2薄膜結構和光電性能的影響機制。在得到性能穩(wěn)定的F

3、eS2薄膜后,將其與TiO2納米多孔膜、TiO2納米管有序陣列組成無機窄禁帶半導體敏化太陽能電池復合電極,對其結構,光學和光電化學性能的變化規(guī)律進行了初步探索。主要工作及結論如下:
　　 采用溶膠凝膠工藝結合硫化熱處理制備出了沒有雜質相的多晶FeS2薄膜,并研究了硫化溫度和硫化時間對薄膜沉積的影響。發(fā)現(xiàn)在300℃硫化時,先驅體氧化鐵沒有發(fā)生轉變,但在400～600℃硫化時所有的Fe2O3先驅體薄膜都轉變?yōu)镕eS2。在400℃硫化

4、溫度下,退火處理1h即可得FeS2薄膜,硫化過程中先驅體氧化鐵膜具有的疏松多孔形貌為反應原子提供了快速擴散通道和反應進行的有利環(huán)境,是FeS2得以快速形成的主要原因。隨著入射光子能量的增加,在不同硫化參數(shù)下制備的FeS2薄膜的光吸收系數(shù)曲線均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,并在強吸收區(qū)薄膜的吸收系數(shù)值穩(wěn)定在105cm-1數(shù)量級。隨硫化溫度升高,FeS2薄膜的光學禁帶寬度明顯減小,但硫化時間對禁帶寬度的影響不明顯。不同硫化參數(shù)下制備的FeS2薄膜均為

5、P型,隨硫化溫度升高,薄膜電阻率增加,載流子濃度減小,而隨硫化時間增加,薄膜的霍爾遷移率減少,載流子濃度增加,電阻率先減小后增大。
　　 通過溶膠凝膠過程引入Cu、Al元素,不改變FeS2薄膜的立方晶黃鐵礦結構。低濃度摻雜時薄膜的晶粒細化,表面平整致密,對光學性能影響較小,但可使載流子濃度提高一個數(shù)量級以上,且導電類型可控。而過量摻雜時薄膜內可能會出現(xiàn)部分雜質的局部富集,造成晶格常數(shù)和表面形貌的變化,不利于FeS2光電器件性能的

6、提升。
　　 采用sol-gel法和陽極氧化法分別制備了TiO2納米多孔膜和TiO2納米管有序陣列薄膜,并與FeS2進行復合得到了不同結構的FeS2/TiO2復合薄膜光電極,初步探索了制備工藝對其結構、光學及光電化學性能的影響,分析了薄膜復合機理。利用sol-gel法在TiO2納米多孔膜上沉積FeS2可以實現(xiàn)兩者的有效復合,但光電極整體性能不佳,電極結構、界面匹配、電極接觸及材料內部缺陷等因素是造成這一結果的主要原因。相比于Fe