真空蒸发法制备铜铟硒薄膜及其性能研究

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在能源与环境成为人类社会必须面对的两大基本问题的今天,利用太阳能可以非常理想地解决环境和能源的问题,所以研发太阳电池成为各国政府重视的研究课题。CuInSe<,2>(简称为CIS)是一种直接带隙材料,光吸收系数高达6×10<5>cm<-1>,是目前己知的光吸收性最好的半导体薄膜材料,由于其光电转换效率高,使得CIS基薄膜太阳电池成为当今光伏领域的研究热点。 本文采用金属预置层后真空硒化退火法(硒化法),以及新型的真空三元叠层蒸发后氮气气氛退火法(叠层法)分别制备了CIS薄膜。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量色散谱(EDS)等方法对薄膜的结构、成分及表面形貌进行了分析;利用紫外一可见光谱、I-V测试、Hall效应等对薄膜的光学性能和电学性能进行了表征。研究工作主要获得了以下结果: 1.采用硒化法制备了CIS薄膜。研究了不同金属预置层真空硒化退火制备的CIS薄膜的性能。结果表明:所制薄膜均为单一的黄铜矿相结构;薄膜表面光洁,厚度均匀,附着力强,Cu/In预置层真空硒化退火制备的CIS薄膜颗粒大,粒径约为1.5μm,优于In/Cu预置层硒化制备的CIS薄膜。 2.采用叠层法制备了CIS薄膜。研究了六种蒸发顺序两种退火温度对薄膜性能的影响。蒸发顺序为Se/In/Cu,400℃退火制得的CIS薄膜,不仅为单一的黄铜矿相结构,且表面形貌致密均匀,晶粒粒径约为1μm;热处理优化了薄膜的光学禁带宽度Eg=1.113 eV,但其电学性能欠佳。而蒸发顺序为In/Se/Cu,400℃退火制得的薄膜也具有良好的晶格结构,且不仅电学特性最佳,其面电阻值9336 Q/□,迁移率达到48.9 cm<2>/(V·s),而且表面颗粒大达到2μm,不足之处在于其致密性不佳,存在孔洞。以上二者均具有良好的光电响应,光电导与暗电导的比值分别为1.254.和1.202。 3.采用叠层法制备了CIGS薄膜。结果表明:薄膜为具有黄铜矿相的CIS和CIGS混合物,薄膜成分为Cu<,1.31>(In<,0.83>Ga<,0.17>)Se<,1.72>,禁带宽度Eg=1.11 eV。
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