低温水相条件下CuInS2材料的合成及表征-光学专业论文.docxVIP

Synthesis and Characterization of CuInS2 Materials in the Aqueous Phase at Low Temperature A Dissertation Submitted to the Graduate School of Henan University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science By Xie Bingbing Supervisor: Associate Prof. Hu Binbin June，2015 摘 要 在众多的太阳能电池中，CuInS2 作为薄膜太阳能电池的吸收层因其具有较高 吸光系数、合适的禁带宽度（1.5 eV）、理论转换效率较高（25%-32%）、性能稳 定、对温度的变化不敏感、低毒等优点引起了光伏研究者的广泛关注。然而大 部分的合成方法都是用有机溶剂做溶剂，且需要高温、高压等比较严苛的条件。 使得 CuInS2 太阳能电池并没有大规模的应用。因此，寻求一种低成本、绿色、 环保的合成方法具有重大现实意义。此外，不同相结构的 CuInS2 具有不同的光 电性能，大部分合成方法都是通过调控铜源、铟源、配体的种类、反应温度等 条件去控制产物的相，因此寻求一种简单的相调控方法也是至关重要的，能够 更好地促进 CuInS2 的实际应用。 本文通过一种简单的水浴法在较低温度（80℃）下成功合成了不同形貌的 CuInS2 纳米材料。首先，用水溶性的巯基乙酸（TGA）做络合剂和还原剂,在不 同溶液 pH 值条件下，合成了具有不同相结构的 CuInS2 纳米颗粒，其次，寻找 了一种更加简单的合成方法，利用 TAA 在反应中既能做络合剂和还原剂同时又 是一种常见的硫源的特性，仅仅向溶液中加入 CuCl2、In2(SO4)3、TAA 三种反应 物，即合成了具有多孔结构的 CuInS2 微球。 论文的主要内容总结如下： 1、水相合成黄铜矿和纤锌矿 CuInS2 纳米材料 用去离子水作溶剂，巯基乙酸做络合剂，硫化钠做硫源，在水相 80℃条件 下合成了具有黄铜矿和纤锌矿结构的 CuInS2 纳米材料。因为溶液 pH 值可以影 响巯基乙酸对金属离子的络合能力，所以我们研究了溶液的 pH 值对产物相结构 的影响，我们发现随溶液 pH 值的增大，黄铜矿 CuInS2 渐渐转变为纤锌矿 CuInS2。 通过调节溶液的 pH 值，实现了 CuInS2 纳米材料由黄铜矿到纤锌矿的相转变， 并研究了其相转变机理。同时，考察了络合剂、退火温度、硫源等因素对于相 结构的调控作用。 2、水相合成 CuInS2 多孔微球 在前一部分工作的基础上，我们期望寻求一种更加简单的合成方法，我们发 现硫代乙酰胺（TAA）在反应中既可以做络合剂与金属离子发生络合，又可以 I PAGE PAGE IV III III 做还原剂能够将 Cu2+还原为 Cu+，同时也是一种常见的硫源。我们仅仅向溶液中 加入 CuCl2、In2(SO4)3、TAA 三种反应物，通过调节溶液的 pH 值，成功合成了 表面由许多纳米片组成的 CuInS2 多孔微球，并通过对不同反应时间的产物进行 表征分析，研究了 CuInS2 多孔微球的生长过程，同时也研究了反应时间、溶液 pH 值、浓度、TAA 的量对产物形貌及相结构的影响。 关键词： CuInS2, pH, TGA, 多孔微球，TAA ABSTRACT In numerous solar cells, CuInS2 as the absorption layer of thin film solar cell has caused extensive concern of the photovoltaic researchers due to the advantages of its high absorption coefficient, the appropriate width of band gap (1.5 eV), high theoretical photovoltaic conversion efficiency (about 25% to 30%), stable performance, less sensitive to the changes of temperature, and low toxicity, and so on. However, most of the synthetic method was used the organic solvent as the solvent, and needs h