1、太陽(yáng)能電池 CuInS2陶瓷的制備及其結(jié)構(gòu)、性能表征.txt男人應(yīng)該感謝20多歲陪在自己身邊的女人。因?yàn)?0歲是男人人生的最低谷，沒錢，沒事業(yè)；而20歲，卻是女人一生中最燦爛的季節(jié)。只要鋤頭舞得好，哪有墻角挖不到？ 本文由醉灬忘歌貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 本 科 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 題 姓 目 名 CuInS2 陶瓷的制備及其結(jié)構(gòu)、性能表征 陶瓷的制備及其結(jié)構(gòu)、 備及其結(jié)構(gòu) 學(xué) 號(hào)專業(yè)年級(jí) 職 稱 帶格式的: 字體: 非加粗 格式的 指導(dǎo)教師 2010 年 5 月 10 日 帶格式的: 字體: 加粗 格式的 帶格式的:

2、字體: 加粗 格式的 帶格式的: 字體: 加粗 格式的 帶格式的: 兩端對(duì)齊, 縮進(jìn): 首 格式的 行縮進(jìn): 9.5 字符 I 目 錄 緒論 111 1 太陽(yáng)能電池概況及選題背景和研究?jī)?nèi)容 111 1.1 太陽(yáng)能電池工作原理 111 1.2 太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn) 2 1.3 太陽(yáng)能電池的發(fā)展 2 1.4 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池 333 1.4.1 CuInS2 的基本性質(zhì) 333 1.4.2 CuInS2 電池的研究歷程 555 1.4.3 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 555 1.4.4 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池今后的展望 666 1.5 選題背景和研究?jī)?nèi)容 777 1.5.1

3、 選題背景 777 1.5.2 研究?jī)?nèi)容 888 2 CuInS2 陶瓷靶材制備工藝 888 2.1 主要原料 888 2.2 主要工藝流程 888 2.3 制備工藝 999 2.3.1 稱料 999 2.3.2 精磨 999 2.3.3 真空干燥 999 2.3.4 壓片成型 999 2.3.5 真空燒結(jié) 999 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 3.1 制備工藝參數(shù) 3.1.1 粘合劑用量 3.1.2 成型壓力 3.1.3 燒結(jié)氣氛 3.1.4 燒結(jié)溫度 3.1.5 保溫時(shí)間 3.2 收縮率計(jì)算 3.3 XRD 圖譜分析 3.4 陶瓷電阻率 結(jié)論 參考文獻(xiàn) 致謝 II CuInS2 陶瓷的制備及其結(jié)構(gòu)、

4、性能表征 摘要 CuInS2 作為-族三元化合物半導(dǎo)體，由于其具有高的理論轉(zhuǎn)換效率、光吸收系數(shù)、禁帶 寬度與太陽(yáng)能光譜匹配性極好及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，被看作是很有發(fā)展 前景的太陽(yáng)能電池光吸收材料。本文采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法，制備 CuInS2 陶瓷靶材。確定出具有黃 銅礦結(jié)構(gòu)的 CuInS2 陶瓷靶材制備過程中最佳的粘合劑用量、成型壓力、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度以及保 溫時(shí)間。并在此基本上探索了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì) CuInS2 陶瓷結(jié)構(gòu)、性能的影響。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可 以看到， CuInS2 陶瓷靶材的最佳燒結(jié)溫度為 960， 最佳保溫時(shí)間為 2h。 在此條件下制備出的 CuInS2

5、 陶瓷具有黃銅礦結(jié)構(gòu)。 【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能電池 CuInS2 陶瓷 固相法 結(jié)構(gòu) 性能 III Preparation of CuInS2 Ceramic and Characterization of its Structure and Property Abstract As a - ternary semiconductor compound, copper indium disulfide (CuInS2), with its high theoretical conversion efficiency, high absorption, well match with the sola

6、r radiation, good thermal stability and other advantages, has emerged as a promising absorber material for solar cells. CuInS2 ceramic targets were prepared by solid state reaction. The optimal amount of adhesives, molding pressure, sintering atmosphere, sintering temperature and holding time were i

7、nvestigated during the preparation of CuInS2 ceramic target with chalcopyrite structure. And then, the influences caused by the sintering temperature and holding time were investigated on the structure and property of CuInS2 ceramic. The results indicate that CuInS2 ceramic targets optimum sintering

8、 temperature is 960 and the optimum holding time is 2h. Under the sintering temperature of 960 and the optimum holding time of 2h, CuInS2 ceramic with chalcopyrite structure was prepared. 【Key word】solar cell CuInS2 ceramic solid state reaction structure property 】 IV 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 緒論 能源是人類存在和發(fā)展的物質(zhì)

9、基礎(chǔ)。建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的常規(guī)能源 體系，曾經(jīng)極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。但化石燃料的大規(guī)模開采和利用，已使資源日益枯竭、 環(huán)境不斷惡化， 還誘發(fā)了不少國(guó)家之間、 地區(qū)之間的政治經(jīng)濟(jì)糾紛， 甚至引起沖突和局部戰(zhàn)爭(zhēng)。 1973 年由于中東戰(zhàn)爭(zhēng)引起的“石油禁運(yùn)” ，全世界發(fā)生了以石油為代表的“能源危機(jī)” ，人們認(rèn)識(shí)到常規(guī) 能源的局限性、有限性和不可再生性，認(rèn)識(shí)到新能源對(duì)國(guó)家安全的重要性1。而太陽(yáng)能則是人類可 利用的最直接的可再生清潔能源之一，其儲(chǔ)量巨大，取之不盡、用之不竭，沒有環(huán)境污染，清潔干 凈，充滿了誘人的前景。因此，以太陽(yáng)能為代表的新能源和可再生能源是保護(hù)人類賴以生存的

10、地球 生態(tài)環(huán)境的清潔能源；它將逐漸減少和代替化石能源的使用，它的廣泛應(yīng)用是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走經(jīng) 濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路2。 太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體的光生生伏特效應(yīng)效應(yīng)將直接將光能轉(zhuǎn)化為電能,是對(duì)環(huán)境無(wú)污染的可 再生能源之一。它的應(yīng)用可以解決人類社會(huì)發(fā)展在能源需求方面的三個(gè)問題：開發(fā)宇宙空間所需的 連續(xù)不斷的能源；地面一次能源的獲得，解決目前地面能源面臨的礦物燃料資源減少與環(huán)境污染的 問題；日益發(fā)展的消費(fèi)電子產(chǎn)品隨時(shí)隨地的供電問題。特別是太陽(yáng)能電池在使用過程中不釋放包括 二氧化碳在內(nèi)的任何氣體，這對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害作用具有重大意義3。 晶體硅最早被用來制備太陽(yáng)能電池，至今仍在太陽(yáng)

11、能電池市場(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位。但是晶體硅太陽(yáng) ，為 能電池存在著固有弱點(diǎn)：晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體，因而具有很低的光吸收系數(shù)（約 102 cm-1） 了充分吸收太陽(yáng)光，硅太陽(yáng)能電池往往采用復(fù)雜設(shè)計(jì)并制備得較厚，加上晶體硅材料本來就相對(duì)昂 貴，使得硅太陽(yáng)能電池的成本相對(duì)較高。而薄膜太陽(yáng)能電池的厚度通常只有 12m，制備在玻璃等 相對(duì)廉價(jià)的存底上制備在玻璃等相對(duì)廉價(jià)的襯底上，可以實(shí)現(xiàn)低成本、大面積的工業(yè)化生產(chǎn)。其中， CuInS2 薄膜以光吸收系數(shù)較高、轉(zhuǎn)換效率高、大面積制備簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，成本較低等優(yōu)點(diǎn)成本較 低等優(yōu)點(diǎn)，成為一種非常有發(fā)展前途的太陽(yáng)能電池吸收層材料。 帶格式的: 字體: Times Ne

12、w Roman 格式的 1 太陽(yáng)能電池概況及選題背景和研究?jī)?nèi)容 1.1 太陽(yáng)能電池工作原理 太陽(yáng)能光伏電池是以半導(dǎo)體 P-N 結(jié)上接受太陽(yáng)光照射產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)， 直接將光能轉(zhuǎn) 換為電能的能量轉(zhuǎn)換器。其工作原理是：當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部 N 區(qū)和 P 區(qū)中原 子的價(jià)電子受到太陽(yáng)光子的沖擊，通過光輻射獲得超過禁帶寬度 Eg 的能量，脫離共價(jià)鍵的束縛從價(jià) 帶激發(fā)到導(dǎo)帶，由此在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生出很多處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對(duì)。這些被光激發(fā)的 電子和空穴，或自由碰撞，或在半導(dǎo)體中復(fù)合恢復(fù)到平衡狀態(tài)。其中復(fù)合過程對(duì)外不呈現(xiàn)導(dǎo)電作用， 屬于光伏電池能量自動(dòng)損耗部分。一般希望有更多的

13、光激發(fā)載流子中的少數(shù)載流子能運(yùn)到到 P-N 結(jié) 區(qū)，通過 P-N 結(jié)對(duì)少數(shù)載流子的牽引作用而漂移到對(duì)方區(qū)域，對(duì)外形成與 P-N 結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反 的光生電場(chǎng)，這就是光生伏特效應(yīng)2，如圖 1.1 所示4。 1 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 1.1 光生伏特效應(yīng)原理圖 1.2 太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn) 太陽(yáng)能光伏電池借助于半導(dǎo)體器件的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，是最有希望的可 重復(fù)利用得綠色能源之一。與其他不可重復(fù)利用能源（如：媒、石油、天然氣、核能等）相比，其 有以下顯著優(yōu)點(diǎn)4： （1）太陽(yáng)能本身無(wú)成本且取之不盡，用之不竭。照射到地球上的太陽(yáng)能要比人類目前消耗的能 量大 6000 倍。另外，

14、根據(jù)太陽(yáng)產(chǎn)生的核能計(jì)算，太陽(yáng)還要照耀地球 600 多億年。 （2）綠色環(huán)保。光伏發(fā)電本身不需要燃料，沒有 CO2 的排放，不污染空氣。 （3）應(yīng)用范圍廣。只要有光照的地方就可以利用光伏發(fā)電，它不受地域、海拔等因素限制。 （4）無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，是無(wú)公害發(fā)電。太陽(yáng)能電池將光直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有像渦輪機(jī)、發(fā)電 機(jī)一樣的可轉(zhuǎn)動(dòng)部件，因此就沒有了噪聲和廢氣污染，是名副其實(shí)的清潔能源。 （5）使用壽命長(zhǎng)。太陽(yáng)能電池壽命可達(dá) 2035 年。 （6）太陽(yáng)能電池組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕，便于運(yùn)輸和安裝。 （7）保養(yǎng)容易，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無(wú)人化管理。 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶

15、格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 1.3 太陽(yáng)能電池的發(fā)展 自 1954 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一塊半導(dǎo)體光伏電池開始， ，伴隨著化石能源的危機(jī)使 人們對(duì)可再生能源的興趣越來越濃，光伏電池進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。單晶硅太陽(yáng)能電池是最早被 研究和應(yīng)用的，至今它仍是太陽(yáng)能電池的主要材料之一。單晶硅的晶體非常完整，材料純度很高， 資源也很豐富，其禁帶寬度為 1.12eV，,是制備太陽(yáng)能電池的較理想材料。但是，晶體硅是間接禁帶 半導(dǎo)體材料，其電池的理想光電轉(zhuǎn)換效率略大于 30%。最近，在實(shí)驗(yàn)室中，單晶

16、硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn) 換效率已達(dá)到 24.7%。 在實(shí)際生產(chǎn)線中， 高效太陽(yáng)能電池 （主要應(yīng)用于空間） 的轉(zhuǎn)換效率已超過 20%； 對(duì)于常規(guī)的地面用商業(yè)單晶硅太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)到 13%16%，期望在不久的將來能 接近 17%20%。也正是由于單晶硅是間接帶隙半導(dǎo)體，因而具有很低的光吸收系數(shù)（約 102cm-1） ， 其太陽(yáng)能電池就必須有一定的材料厚度以便吸收足夠的太陽(yáng)光，加之單晶硅材料提純和加工的成本 比較高，使得硅太陽(yáng)能電池的成本相對(duì)較高。雖然研究界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大， 硅太陽(yáng)能電池的成本持續(xù)降低，但就目前而言，其電力成本依然是常成規(guī)能源的 2 倍以上，仍然在 阻

17、礙太陽(yáng)能光電技術(shù)的更廣泛應(yīng)用1。 20 世紀(jì) 70 年代鑄造多晶硅得到發(fā)明與應(yīng)用，它以相對(duì)低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)不斷擠占單晶硅 的市場(chǎng)，成為最有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能電池材料。在實(shí)驗(yàn)室中，鑄造多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 達(dá)到 19.8%；在商業(yè)生產(chǎn)中，其太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率一般為 13%16%。然而，無(wú)論是單晶硅還是鑄造多 晶硅，在硅片加工過程中，僅僅由于硅片的切割，硅材料的損耗就達(dá)到 50%，加上晶體硅光伏電池 的硅材料占光伏電池成本的 45%以上，其技術(shù)雖已發(fā)展成熟，但高昂的材料成本在全部生產(chǎn)成本中 占據(jù)主要地位，使其生產(chǎn)成本太高1。 因此，要真正達(dá)到大規(guī)模利用光伏電池的目標(biāo)，降低材料的成本就成為降低

18、光伏電池成本的主 要手段， 。以至于使得人們不惜以犧牲電池的轉(zhuǎn)換效率為代價(jià)來開發(fā)薄膜光伏電池。非晶硅是 20 世 紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的太陽(yáng)能電池材料，它通常是在玻璃上沉積一層很薄的非晶硅，制備工藝簡(jiǎn)單、 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 2 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 成本低且可大面積連續(xù)生產(chǎn)，而且可方便設(shè)計(jì)成各種結(jié)構(gòu)，易與電子器件集成，因此在計(jì)算器、手 表、玩具等小功耗器件中得到了廣泛應(yīng)用。但是非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，在實(shí)驗(yàn)室 中

19、穩(wěn)定的最高轉(zhuǎn)換效率只有 13%左右，在實(shí)際生產(chǎn)線上，非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也不超過 10%；而且，非晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率在太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射下有嚴(yán)重的衰減，阻礙了其應(yīng)用。 不同于非晶硅太陽(yáng)能電池，具有晶體性質(zhì)的多晶硅薄膜材料沒有轉(zhuǎn)換效率衰減的問題。它直接制備 在玻璃、不銹鋼等低廉的襯底上，既有晶體硅勁歌完整的優(yōu)點(diǎn)既有晶體硅晶格整個(gè)完整的優(yōu)點(diǎn)，又 有非晶硅價(jià)格低廉、制備方便的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于晶粒過于細(xì)小等原因，多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的 轉(zhuǎn)換效率還是很低，僅有 10%左右，只有少量的試驗(yàn)生產(chǎn)線，還未達(dá)到實(shí)際大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的水平1。 在硅基太陽(yáng)能電池發(fā)展的同時(shí)， 一系列化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池發(fā)展迅

20、速， GaAs、 如 CdTe、 InP、 CdS、CuInS2 和 CuInSe2 等。其中 GaAs 是重要的的太陽(yáng)能電池用化合物材料之一，它是直接帶隙半 導(dǎo)體材料，禁帶寬度為 1.42eV，具有較高的光吸收系數(shù)、抗輻射能力和寬的工作溫度范圍，其禁帶 寬度更匹配太陽(yáng)能光譜。因此，與單晶硅相比 GaAs 單晶體具有更高的理論轉(zhuǎn)換效率。目前，主要 利用外延技術(shù)制備 GaAs 晶體，在實(shí)驗(yàn)室中 GaAs 太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到 25.7%1。但昂 貴的制造安裝成本限制其幾乎僅用于航空航天領(lǐng)域。 除了-化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池材料外，-化合物半導(dǎo)體也得到了廣泛關(guān)注，其中 CdTe 多晶薄膜的

21、禁帶寬度為 1.45eV，其太陽(yáng)能電池理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 27%，在實(shí)驗(yàn)室中轉(zhuǎn)換效率也超過 1 10% ，但是在費(fèi)用和器件的轉(zhuǎn)換效率方面還存在著一定的不足，費(fèi)用太高且效率太低。隨著時(shí)代和 科技的進(jìn)步，研究者發(fā)現(xiàn)并開發(fā)出一種新的太陽(yáng)能電池，那就是以 Cu-基黃銅礦（Chalcopyrite）薄 膜為主的太陽(yáng)能電池，以其高穩(wěn)定性、高效率和低費(fèi)用而受到各國(guó)研究者的青睞。因此，Cu-基黃銅 礦 （CuIn(Ga)Se(S)2） 薄膜成為一種很有前景的太陽(yáng)能吸材料， 在薄膜光伏技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。 主要的太陽(yáng)能電池材料的性能和應(yīng)用如表 1.1 所示5 表 1.1 太陽(yáng)能電池材料的性能和應(yīng)用 帶格式的:

22、 字體: 五號(hào) 格式的 1.4 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池 1.4.1 CuInS2 的基本性質(zhì)1,3,5,6,7 1.4.1.1 晶體結(jié)構(gòu) CuInS2是一種三元-族化合物半導(dǎo)體，具有黃銅礦、閃鋅礦及未知結(jié)構(gòu)的三個(gè)同素異形的 晶體結(jié)構(gòu)。低溫相為黃銅礦結(jié)構(gòu)（相變溫度為980） ，屬于正方晶系，布拉菲格子為體心四方，晶 格常數(shù)為a=0.5545nm，c=1.1084nm，與纖鋅礦結(jié)構(gòu)的CdS（a=0.46nm，c=6.17nm）的晶格失配率為 5.59%，這劣于CuInSe2。而高溫相為閃鋅礦結(jié)構(gòu)（9801045） ，屬于立方晶系，布拉菲格子為面心 立方。但是在10451090溫度范圍內(nèi)，其結(jié)

23、構(gòu)尚不太清楚。.顯然，室溫下太陽(yáng)能電池用的CuInS2 為黃銅礦結(jié)構(gòu)，如圖1.2所示。 3 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 1.2 黃銅礦型 CuInS2 晶體結(jié)構(gòu)圖 圖 1.3 所示為 Cu2S 和 In2S3 組元組成的 CuInS2 相圖。圖中 相即為上述的未知相， 相為閃鋅 礦， 相為黃銅礦。從圖中可以看出，閃鋅礦結(jié)構(gòu)在 875以上才穩(wěn)定，黃銅礦結(jié)構(gòu)在 980以下才 是穩(wěn)定的。當(dāng)溫度高于 1090后，CuInS2 呈液相。 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 圖 1.3 Cu2S 和 In2S3 組元

24、組成的 CuInS2 相圖 CuInS2 為直接帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下其禁帶寬度為 1.50eV，是吸收太陽(yáng)光譜的最佳禁帶寬 度，由于 CuInSe2（Eg=1.04eV） ，其 300K 時(shí)的物理性質(zhì)見表 1.2。 表 1.2 CuInS2 材料的物理性質(zhì)（300K） 密度/（g/cm3） 晶格常數(shù)/nm 4.75 a=5.545 c=11.08 熔點(diǎn)/ 禁帶寬度/eV 光學(xué)介電常數(shù) 9971047 1.5 15.2 1.4.1.2 光學(xué)性能 CuInS2 是直接能隙半導(dǎo)體材料，能帶結(jié)構(gòu)近似成拋物線形，一般來說，其光吸收系數(shù) 與 4 帶格式的: 首行縮進(jìn): 格式的 2 字符 湖北大學(xué)本科畢

25、業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 禁帶寬度 Eg 之間滿足式 =C(h-Eg)1/2 （1.1） 式中， 為光子能量； g 為光學(xué)禁帶寬度； 是與折射率、 h E C 直接躍遷的振子強(qiáng)度等有關(guān)的常數(shù)。 CuInS2 的光吸收系數(shù)約為 105cm-1。實(shí)驗(yàn)表明 1 m 厚的 CuInS2 吸收層就足夠吸收 90%的太陽(yáng)光。 黃銅礦型 CuInS2 禁帶寬度的改變由兩個(gè)因素決定：一個(gè)是其晶體結(jié)構(gòu)的變化，即存在偏離理想 晶體結(jié)構(gòu)的取代或填隙，導(dǎo)致晶格參數(shù)發(fā)生變化；另一個(gè)是電子結(jié)構(gòu)的變化。 CuInS2 的光學(xué)性質(zhì)主要與材料中各元素的組分比、各組分的均勻性、結(jié)晶程度、晶格結(jié)構(gòu)及晶 界的影響有關(guān)。許多實(shí)驗(yàn)表明，材料元素的

26、組成與化學(xué)計(jì)量比偏離越小，結(jié)晶程度越好，元素組分 均勻性好，光學(xué)吸收特性越好。而具有單一黃銅礦結(jié)構(gòu)的 CuInS2 的吸收特性比其它成分和結(jié)構(gòu)的更 為理想。 1.4.1.3 電學(xué)性能 半導(dǎo)體的電學(xué)特性與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。半導(dǎo)體吸收一定的能量后，電子會(huì)以一定的激 發(fā)方式被激發(fā)到高能量的能級(jí)上，激發(fā)后的電子為了降低能量會(huì)與導(dǎo)帶中的空穴復(fù)合，多余的能量 以光、熱的形式釋放出來。CuInS2 薄膜與 CuInSe2 薄膜一樣，電學(xué)性質(zhì)主要受材料中各元素的組分 比以及由于偏離化學(xué)計(jì)量比而引起的固有缺陷（如空位、間隙原子、替位原子）的影響。另外，還 與非本征摻雜和晶界有關(guān)。一般當(dāng) S 不足時(shí)，S 空

27、位表現(xiàn)為施主；而當(dāng) S 過量時(shí)，表現(xiàn)為受主。當(dāng) Cu、In 不足時(shí)，Cu、In 空位表現(xiàn)為受主；而當(dāng) Cu、In 過量時(shí)，表現(xiàn)為施主。 在實(shí)際工藝中，可以通過控制 Cu/In 與 S/(Cu+In)來控制 CuInS2 薄膜的導(dǎo)電類型。如果 Cu 過量， 可能存在 In 空位或 Cu(In)而導(dǎo)致薄膜呈 P 型。而 In 過量時(shí)可能存在間隙位 In 或 Cu(In)而導(dǎo)致薄膜 呈 N 型。一般來說，Cu/In 增大，薄膜的電阻率就降低， ，這可能是由于富 Cu 型 CuInS2 薄膜的表面 處形成了 Cu 的二元相，促進(jìn)較大晶粒的形成，從而提高了 CuInS2 薄膜的電導(dǎo)率與空穴濃度。 1.4

28、.2 CuInS2 電池的研究歷程5,8 20 世紀(jì) 70 年代人們開始關(guān)注以 CuInS2 薄膜作為太陽(yáng)能電池吸收材料的研究。1974 年，美國(guó)貝 爾實(shí)驗(yàn)室最早采用 CuInS2 作為太陽(yáng)能電池吸收材料制備 CIS/CdS 電池。1977 年，Wagner 等也成功 制備了 p- CuInS2/n-CdS 結(jié)構(gòu)的電池。1992 年，Walter 等采用共蒸發(fā)方法制備 CuIn(Se,S)2/CdS 電池， 其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 10%，目前的實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)到 12.5%。雖然與 CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池研制水 平還有一些差距，但是由于其獨(dú)特的低成本優(yōu)勢(shì)而倍受關(guān)注。圖 1.4 顯示了 CuInS

29、2 薄膜太陽(yáng)能電池 光電轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展，目前實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)到 12.5%。 圖 1.4 CuInS2 電池轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展趨勢(shì) 1.4.3 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀8,9 由于 CuInS2 太陽(yáng)能電池有良好的發(fā)展?jié)摿Γ?其生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。 在產(chǎn)業(yè)界， 德國(guó) Hahn-Meitner 學(xué)院和 Sulfurcell 公司采用濺射硫化方法，在玻璃襯底材料上濺射沉積 Mo 薄膜作為電池的背電極， 采用濺射方法制備 Cu 薄膜和 In 薄膜預(yù)制層，然后采用 H2S 作為硫源進(jìn)行硫化反應(yīng)，形成 CuInS2 薄 5 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 膜。采用該方法生產(chǎn)的面積為 17.1cm2 的

30、 CuInS2 太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 9.3%，并且已經(jīng) 在德國(guó)建成組件面積為 120cm60 cm 的 1MW 的生產(chǎn)示范線。由于很多工藝環(huán)節(jié)采用了真空方法， 因 此 采 用 該 技 術(shù) 制 備 CuInS2 薄 膜 太 陽(yáng) 電 池 的 總 成 本 很 難 降 低 ， 這 也 正 是 目 前 已 產(chǎn) 業(yè) 化 的 CuIn1-xGaxSe2（簡(jiǎn)稱 CIGS）薄膜太陽(yáng)電池成本高于晶體硅太陽(yáng)電池成本的主要原因。 我國(guó)安泰科技股份有限公司與德國(guó) Odersun 公司合作，在條帶襯底上制備輕質(zhì)柔性 CuInS2 薄膜 太陽(yáng)能電池帶卷。其條帶襯底為金屬帶，可以選用銅帶或不銹鋼等材料。以非真空環(huán)

31、境下的電化學(xué) 和化學(xué)技術(shù)為主，在金屬基帶上先后沉積 Cu 和 In 薄膜，并通過硫化處理等工序形成 CuInS2 化合物 半導(dǎo)體吸收層，采用噴涂方法制備 CuI 薄膜作為緩沖層，最后通過磁控濺射沉積 Zn0 窗口層和透明 電極。以此工藝制備的薄膜太陽(yáng)能電池如圖 1.5 所示，電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 9.2%。此技術(shù)的突 出優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低于采用真空制備方法成本的 30%，并且采用卷對(duì)卷連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)，生 產(chǎn)效率高、工藝穩(wěn)定性好、適合規(guī)模生產(chǎn)。在太陽(yáng)能電池帶卷上連續(xù)定尺寸截取所需長(zhǎng)度條帶，采 用并聯(lián)壓接、高分子材料封裝方式構(gòu)成特定功率的組件，如圖 1.6 所示。突出優(yōu)點(diǎn)在于，組件的面 積幾

32、乎不受限制，組件的質(zhì)量輕、柔軟、適用性強(qiáng)，適合高度自動(dòng)化生產(chǎn)。2007 年 4 月已在德國(guó)建 成 5 MW 的組件生產(chǎn)線。 圖 1.5 柔性薄膜太陽(yáng)能電池 圖 1.6 柔性薄膜太陽(yáng)能電池組件 1.4.4 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池今后的展望8 經(jīng)過 30 多年的研究， CuInS2 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池已經(jīng)走向產(chǎn)業(yè)化階段。 CuInS2 材料的成分 和光電特性對(duì)工藝過程敏感，這是影響 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池成品率問題的主要因素，也是制約其 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要問題。而采用連續(xù)化非真空生產(chǎn)工藝，在較窄的條帶襯底上制備 CuInS2 薄膜太陽(yáng) 能電池，不但降低了設(shè)備投入成本，而且有效地避免大

33、面積制備工藝帶來的材料成分均勻性問題。 從而解決了規(guī)?；a(chǎn)穩(wěn)定性這一關(guān)鍵問題。另外，采用條帶拼接的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組件大面積 6 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 以及特定尺寸規(guī)格的要求，滿足了多領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用需求。因此該方法生產(chǎn)的 CuInS2 太陽(yáng)能電池 有望成為光伏產(chǎn)業(yè)中新的生力軍。目前，生產(chǎn)、研發(fā)工作集中在改進(jìn)襯底材料和封裝材料上，以便 進(jìn)一步提高電池性能和降低成本。產(chǎn)品開發(fā)工作以建筑材料一體化設(shè)計(jì)以及太陽(yáng)能電池電子器件一 體化設(shè)計(jì)為主。另外，CuInS2 電池的光電轉(zhuǎn)換效率與其理論轉(zhuǎn)換效率相比還有很大的提升空問，進(jìn) 一步提高 CuInS2 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，可以通過對(duì)該方法制

34、備的 CuInS2 材料中載流子輸運(yùn) 和復(fù)合機(jī)理，以及 CuInS2 電池界面結(jié)構(gòu)與器件性能的相互關(guān)系等方面進(jìn)行深入研究。 1.5 選題背景和研究?jī)?nèi)容 1.5.1 選題背景 在化合物半導(dǎo)體材料中，除 GaAs、CdTe 以外，三元化合物半導(dǎo)體 CuInSe2 薄膜材料是另一種 重要的太陽(yáng)能光電材料。這種薄膜材料的光吸收系數(shù)較大，達(dá)到 105cm-1，其禁帶寬度為 1.04eV 且 為直接帶隙材料，太陽(yáng)能電池的光轉(zhuǎn)換理論效率達(dá)到 25%30%；而且只需要 12m 厚的薄膜就可 以吸收 99%以上的陽(yáng)光，從而大大降低太陽(yáng)能電池的成本1。 和 CuInSe2 同屬于銅基黃銅礦型的 CuInS2，也是

35、一種性能優(yōu)良的直接帶隙太陽(yáng)能電池吸收層材 料，而且具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）光吸收系數(shù) 高達(dá) 6105cm-1，適于太陽(yáng)能電池薄膜化7。以其作為太陽(yáng)能電池的光吸收 層，膜可以做的很薄，僅需 12m，從而降低了成本。 （2）CuInS2 的禁帶寬度為 1.50eV，比 CuInSe2（1.04eV）薄膜材料更接近太陽(yáng)能光伏電池材料 的最佳禁帶寬度 1.45eV。且對(duì)溫度的變化不敏感, 因此不需要添加其他元素來調(diào)整其禁帶寬度，從 而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性9。 （3）CuInS2 可制得高質(zhì)量的 p 型和 n 型薄膜，易于制成同質(zhì)結(jié)，可產(chǎn)生高的開路電壓，其理 論轉(zhuǎn)換效率在 28%32%，并目

36、生產(chǎn)成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)3,7。 （4）CuInSe2 薄膜材料中含有高價(jià)的稀有元素 Se，而且硒化物有毒1。用價(jià)格低廉的 S 來取代 Se，不僅有利于資源、節(jié)約成本，還更加環(huán)保。 并在此基礎(chǔ)上提高電池的光電轉(zhuǎn)換 目前的主要問題是如何促進(jìn) CuInS2 太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程， 效率和降低電池的生產(chǎn)成本。從材料來源、制備成本和環(huán)保等方面綜合分析，今后薄膜太陽(yáng)能電池 發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)是 CuInS2 薄膜太陽(yáng)能電池。 。由于 CuInS2 薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對(duì)較低 的成本，并且目前產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)成熟，因此極有可能成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一9。 圖 1.7 表示的是期待成為太陽(yáng)能 電池材料

37、的最具有代表 性的黃銅礦半導(dǎo)體（chalcopyrite semiconductors）的晶格常數(shù)和禁帶寬度（energy bandgap）關(guān)系10。 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的 格式的 圖 1.7 代表性的黃銅礦半導(dǎo)體的禁帶寬度和晶格常數(shù)的關(guān)系 由上圖可知，在這些混合結(jié)晶系中，圖中被涂暗了的部分是有可能進(jìn)行禁帶寬度控制的范圍。 表 1.3 所示的是黃銅礦型半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池材料的禁帶寬度。為了便于參考，將 Ag 系也列在了 7 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 其中10。 表 1.3 作為太陽(yáng)能電池材料的黃銅礦系半導(dǎo)體的禁帶寬度 材料 CuInSe2 Cu

38、GaSe2 CuAlSe2 AgInSe2 AgGaSe2 禁帶寬度/eV 1.04 1.68 2.7 1.25 1.85 材料 CuInS2 CuGaS2 CuAlS2 AgInS2 AgGaS2 禁帶寬度/eV 1.505 2.43 3.5 1.9 2.7 1.5.2 研究?jī)?nèi)容 制備 CuInS2 薄膜的方法有硫化法、真空多元共蒸發(fā)法、噴霧熱解法、電沉積法、霧化化學(xué)氣相 沉積法、射頻濺射法、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法、離子層氣相反應(yīng)等方法。目前研究較多的主要是 真空多元共蒸發(fā)法和硫化法。真空多元共蒸發(fā)法就是采用 Cu，In，S 三種元素共同蒸發(fā)沉積到特定 溫度的襯底上硫化形成 CuInS2 薄

39、膜的過程。其優(yōu)點(diǎn)是材料沉積和薄膜的形成可以一步完成，但是在 制備過程中很難控制各個(gè)元素的蒸發(fā)速率和保持襯底溫度的穩(wěn)定。目前，可以工業(yè)化生產(chǎn)的主要是 硫化法，即在 H2S 或 S 氣氛中對(duì)預(yù)制膜進(jìn)行硫化，其中預(yù)制與之薄膜可以使是 Cu-In 二元合金薄膜、 Cu-In-O 三元相薄膜或 Cu-In-S 三元相薄膜。研究較成熟的方法是采用 H2S 氣體進(jìn)行硫化，但是 H2S 的使用不符合環(huán)保要求8,9。 因此，本課題主要研究?jī)?nèi)容是：采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法，制備 CuInS2 陶瓷靶材，為后續(xù)的 PLD （Pulsed Laser Deposition，脈沖激光沉積）法制備 CuInS2 薄膜做準(zhǔn)備。

40、確定出具有黃銅礦晶體結(jié)構(gòu) 型的 CuInS2 陶瓷靶材制備過程中所需的最佳的粘合劑用量、成型壓力、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度以及保 溫時(shí)間。并在此基礎(chǔ)基本上研究燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對(duì) CuInS2 陶瓷結(jié)構(gòu)、性能的影響。 目前為止，尚未看到有關(guān) CuInS2 陶瓷靶材的研究。所以，CuInS2 陶瓷靶材會(huì)有一定的研究?jī)r(jià)值 和實(shí)用價(jià)值。 2 CuInS2 陶瓷靶材制備工藝 傳統(tǒng)固相燒結(jié)法是目前國(guó)內(nèi)外制備陶瓷普遍采用的方法，該方法工藝過程比較簡(jiǎn)單、制備周期 較短。其主要包括以下幾個(gè)過程：稱料、粗磨、預(yù)燒、精磨、成型、燒結(jié)以及性能測(cè)試。在這些過 程中，存在著一系列的物理、化學(xué)變化，制備工藝與陶瓷的性能之間有著

41、直接的關(guān)系。本章主要介 紹制備 CuInS2 陶瓷靶材的工藝流程以及性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征的方法。 2.1 主要原料 實(shí)驗(yàn)所用原料試劑的產(chǎn)地和純度列于下表 2.1。 表 2.1 實(shí)驗(yàn)原料純度及產(chǎn)地 原料 CuInS2 純度 99.999% 產(chǎn)地 四川阿波羅太陽(yáng)能科技有限責(zé)任公司 2.2 主要工藝流程 實(shí)驗(yàn)中采用的原料是已經(jīng)合成好的 CuInS2 粉末， 故固可以省略粗磨和預(yù)燒兩個(gè)環(huán)節(jié)。 由于 CuInS2 粉料中的 Cu、In、S 元素都比較容易被氧化，因此，在粉料烘干和陶瓷坯片燒結(jié)環(huán)節(jié)上，需采用真 空干燥與真空燒結(jié)。具體工藝流程如下所示： 8 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 稱料 精磨 真空干燥

42、測(cè)試 真空燒結(jié) 壓片成型 2.3 制備工藝 2.3.1 稱料 采用德國(guó) A210P 型電子天平（精確度為 0.0001g）稱量所需原料。稱量過程中允許偏差為 0.0003g。 2.3.2 精磨 在稱量好的原料中按照 100g：60ml 的比例加入蒸餾水倒入球磨罐中，將球磨罐放在南京大學(xué) 生產(chǎn)的 QM-1F 行星式球磨機(jī)上進(jìn)行細(xì)磨。細(xì)磨時(shí)間為 2 小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 200 轉(zhuǎn)/分鐘（注意剛 開始先用 40 轉(zhuǎn)/分鐘，球磨五分鐘，以使原料先混合均勻，不致因部分原料被甩在罐蓋上而造成原 料的浪費(fèi)） 。 2.3.3 真空干燥 將從球磨罐中洗出的漿料放入合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 GSL1600X

43、 型真空管式高溫?zé)?結(jié)爐中干燥。 2.3.4 壓片成型 將干燥烘干好的粉料，加入適量的蒸餾水作為粘合劑，造成具有一定顆粒度、流動(dòng)性好的團(tuán)粒。 運(yùn)用天津市科器高新技術(shù)公司生產(chǎn)的 DY-30 型臺(tái)式電動(dòng)壓片機(jī)（壓強(qiáng)為 3 t/cm2）壓成圓片型陶瓷坯 片。要求成型胚體均勻、無(wú)裂紋、無(wú)層裂等缺陷。 2.3.5 真空燒結(jié) 燒結(jié)是整個(gè)陶瓷制備工藝中的關(guān)鍵。它是指將事先成型好的坯體，在高溫作用下，經(jīng)過一段時(shí) 間而轉(zhuǎn)變?yōu)榇杉恼麄€(gè)過程。燒成的陶瓷通常都是機(jī)械強(qiáng)度高，脆而致密的多晶結(jié)構(gòu)。將壓制成型 的陶瓷坯片放在剛玉地板上，用坩堝倒扣密封，在坩堝外部圍上鋯粉，保證受熱均勻，放入合肥科 晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的

44、 GSL1600X 型真空管式高溫?zé)Y(jié)爐中真空燒結(jié)。由于陶瓷配方中的 In、 S 在高溫時(shí)容易揮發(fā)，所以應(yīng)在陶瓷坯片的底部和上面灑上適量的 CuInS2 粉末（實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為灑 0.8g CuInS2 粉末比較合適。若灑粉較少，則會(huì)造成燒好的陶瓷片表面因嚴(yán)重?fù)]發(fā)而比較粗糙，甚至使得 陶瓷坯片變形）以作保護(hù)氣氛，抑制元素的揮發(fā)，保證化學(xué)計(jì)量比。 燒結(jié)初溫度的上升速率為 200/h，降溫方式為隨爐自然冷卻。其中，以 960作為燒結(jié)溫度， 保溫 2h 的燒結(jié)升溫曲線如圖 2.1 所示。 9 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 2.1 960/2h 燒結(jié)升溫曲線 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 3.1 制備工藝參數(shù) 3

45、.1.1 粘合劑用量 試驗(yàn)中采取蒸餾水作為粘合劑。壓直徑 =12mm 的小片時(shí)，需加入 68wt%的蒸餾水；直徑 =27.5mm 的大片，則需加入 1013wt%的蒸餾水。 3.1.2 成型壓力 直徑 =12mm 的小片， 成型壓強(qiáng)為 46MPa， 相應(yīng)壓力為 3.445.16 t ； 直徑 =27.5mm 的大片， 成型壓強(qiáng)為 48MPa，相應(yīng)壓力為 3.446.88 t 。 3.1.3 燒結(jié)氣氛 實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為灑 0.8g CuInS2 粉末比較合適。若灑粉較少，則會(huì)造成燒成的陶瓷片表面因嚴(yán)重?fù)]發(fā) 而比較粗糙，甚至使得陶瓷坯片變形。 3.1.4 燒結(jié)溫度 為確定 CuInS2 陶瓷靶材的燒結(jié)溫

46、度，試驗(yàn)中分別以 1050、980、970、960、940作為 燒結(jié)溫度，并在最高溫度下保溫 2h，陶瓷的燒成情況如表 3.1 所示： 表 3.1 不同燒結(jié)溫度下陶瓷燒結(jié)情況 燒結(jié)溫度/ 燒結(jié)溫度/保溫時(shí)間 1050/2h 980/2h 燒成的陶瓷情況（外觀描述） 燒成的陶瓷情況（外觀描述） 陶瓷坯片熔化。 上下兩片表面鼓起，有較大氣孔，變形比較嚴(yán)重，中間兩片稍好，四 片都有析晶。 上下兩片表面鼓起變形，有氣泡和氣孔。中間兩片較平整，斷裂面有 少量析晶。 表面片子有少量析晶,其它片子外觀良好，有很少氣泡，表面平整， 斷面無(wú)析晶。 表面和內(nèi)部具有析晶，斷面粗糙，且氣孔較多，有較大氣泡。 970/

47、2h 960/2h 940/2h 根據(jù)上表可知，實(shí)驗(yàn)中最佳 CuInS2 陶瓷靶材的燒結(jié)溫度為 960 由圖 1.3 CuInS2 相圖可知，CuInS2 的熔點(diǎn)為 1090，然而試驗(yàn)中取 1050作為燒結(jié)溫度時(shí)，陶 10 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 瓷坯體就已經(jīng)熔化，這是由于 CuInS2 陶瓷坯體中 In、S 的嚴(yán)重?fù)]發(fā)，使得樣品的化學(xué)計(jì)量比發(fā)生偏 離，陶瓷坯體的熔點(diǎn)發(fā)生變化。從 CuInS2 相圖得，熔點(diǎn)降低了。 帶格式的 格式的 1 3.1.5 保溫時(shí)間 取實(shí)驗(yàn)中的得到的最佳溫度 960作為燒結(jié)溫度， 在最高溫度下分別保溫 120min、 60min、 45min， 燒成的陶瓷情況如

48、表 3.2 所示： 表 3.2 不同保溫時(shí)間下陶瓷燒結(jié)情況 保溫時(shí)間 120min 60min 45min 燒成的陶瓷情況（外觀描述） 燒成的陶瓷情況（外觀描述） 外觀良好，表面平整，無(wú)氣孔。 外觀良好，表面平整，有很少氣孔。 外觀較好，有少量氣孔，片子有稍微變形。 帶格式的 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的: 字體: Times New Roman 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式

49、的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 帶格式的 格式的 11 根據(jù)上表可知， 在最佳燒結(jié)溫度下， 保溫 120min 燒出的陶瓷片比保溫 60min 和 45min 燒結(jié)的陶 瓷片要好。故，實(shí)驗(yàn)中得到的最佳燒結(jié)溫度為 1

50、20min。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 3.2 收縮率計(jì)算 陶瓷生坯體在燒結(jié)過程中會(huì)發(fā)生不同程度的收縮，隨著燒成溫度的提高，線收縮率增加。厚度 收縮率和徑向收縮率可以采用以下公式（2-1）（2-2）來計(jì)算： 、 (2-1) ?t/ t0=( t0-t)/ t0100% ?d/ d0=( d0-d)/ d0100% (2-2) 其中，t0 為生坯的厚度，t 為燒結(jié)后陶瓷的厚度；d0 為生坯的直徑，d 為燒結(jié)后陶瓷的直徑。 實(shí)驗(yàn)中測(cè)

51、得的數(shù)據(jù)如表 3.3 所示： 表 3.3 陶瓷片的收縮率 940/2h 燒結(jié)前直徑/mm 燒結(jié)后直徑/mm 徑向收縮率/% 燒結(jié)前厚度/mm 燒結(jié)后厚度/mm 厚度收縮率/% 12.00 10.72 10.70 1.40 1.24 11.40 960/1h 12.00 10.80 10.00 1.45 1.30 10.30 960/45min 27.50 24.40 11.27 2.60 2.44 6.20 960/1h 27.50 23.94 12.90 2.24 1.98 11.60 960/2h 23.50 20.98 14.98 1.68 1.46 13.10 由上表可得，對(duì)于同一燒結(jié)

52、溫度，同樣大小的陶瓷坯片，保溫時(shí)間長(zhǎng)的陶瓷坯片收縮率較大； 而在相同的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下，大片的收縮率較小片的收縮率大。 3.3 XRD 圖譜分析 采 用 日 本 理 學(xué) D/Max-3C 型 X 射 線 衍 射 儀 (XRD) 對(duì) 陶 瓷 樣 品 進(jìn) 行 定 性 相 分 析 。 Cu 的 K(=1.54.560?)作為發(fā)射源，掃描速率為 =10/min。 不同燒結(jié)溫度，保溫 2h 下燒成陶瓷的 XRD 圖譜如圖 3.1 所示 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 圖 3. 1 不同燒結(jié)溫度下燒成陶瓷的 XRD 圖譜 其中(a)為 CuInS2 的標(biāo)準(zhǔn) XRD 圖譜， (b)為 960/2h 燒結(jié)出

53、的陶瓷的未結(jié)晶面的 XRD 圖譜， (c) 為 960/2h 燒結(jié)出的陶瓷的結(jié)晶面的 XRD 圖譜，(d)為 980/2h 燒結(jié)出的陶瓷的 XRD 圖譜。 由圖可得，960/2h 燒出的陶瓷已經(jīng)具有實(shí)驗(yàn)所需要的黃銅礦型結(jié)構(gòu)。但是從(c)可以看到，陶 瓷表面的結(jié)晶部分在 2=68.42 處有一個(gè)雜峰。 而(d)980/2h 燒出的陶瓷的峰的位置雖與標(biāo)準(zhǔn)譜相同， 。 這可以從圖 1.3 CuInS2 但是峰的強(qiáng)度卻相差很大， 陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)， 不再是實(shí)驗(yàn)需求的黃銅礦結(jié)構(gòu)。 相圖中得到解釋。黃銅礦結(jié)構(gòu)相變溫度為 980。在 980，由于材料中 In、S 的揮發(fā)，使得樣品的 化學(xué)計(jì)量比發(fā)生變化，部分黃

54、銅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殚W鋅礦結(jié)構(gòu)。 960，不同保溫時(shí)間下燒成陶瓷的 XRD 圖譜如圖 3.2 所示 圖 3.2 不同保溫時(shí)間下燒成陶瓷的 XRD 圖譜 其中(a)為 CuInS2 的標(biāo)準(zhǔn) XRD 圖譜，(b)為 960/2h 燒結(jié)出的陶瓷的未結(jié)晶面的 XRD 圖譜，(c) 12 湖北大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 為 960/1h 燒結(jié)出的陶瓷的 XRD 圖譜。 由圖可知，960/1h 燒出的陶瓷也基本上具有黃銅礦結(jié)構(gòu)，但是(c)在 2=30.62 處有一個(gè)雜峰。 可能是因?yàn)楸貢r(shí)間不夠，黃銅礦晶型還沒有結(jié)晶完全。 ，或是因?yàn)?In、S 元素的揮發(fā)使得化學(xué)計(jì)量 比發(fā)生變化，圖譜中出現(xiàn)其它成分的特征峰。 3

55、.4 陶瓷電阻率 實(shí)驗(yàn)中采用廣州市昆德科技有限公司生產(chǎn)的 KDY-1 型四探針電阻率/方阻測(cè)試儀測(cè)量陶瓷片的 電阻率。測(cè)量數(shù)據(jù)如表 3.4 所示： 表 3.4 陶瓷片的電阻率 （ cm） 960/2h（中片） 序號(hào) 正面 1 2 3 平均值 160.78 154.00 154.10 156.30 反面 650.28 623.71 623.90 623.63 正面 19155.92 19220.98 19119.10 19165.33 反面 34349.00 34383.23 34255.29 34329.17 正面 1179.30 1199.74 1200.66 1193.23 反面 1011.55 1027.59 1026.50 1021.88 960/1h（大片） 960/1h（小片） 表中的大片是指陶瓷坯片直徑 =27.5mm，中片 =25mm，小片 =12mm。表中的正、反面是 指陶瓷片的上下兩面，只供參考，無(wú)實(shí)際意義。因探針位于不同位置，儀器顯示數(shù)值差別很大，故 表中對(duì)于同一個(gè)陶瓷片的同一面所測(cè)數(shù)據(jù)，是探針位置不動(dòng)改變電流值測(cè)得。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)和表中數(shù)據(jù)可以看到，同一個(gè)