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Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池,具有吸收性好、转换效率高以及抗衰退性能稳定等突出优点,被认为是最有前途的光伏器件之一。采用电沉积技术制备CIGS薄膜能够降低成本,提高原料的利用率,更适合大面积工业化生产,拥有广阔的发展前景。
本论文首先研究了电化学共沉积Cu-Ga合金制备CIGS薄膜的工艺,其目的是制备出成分合适、均匀致密的预制层材料,以改善电沉积制备CIG预制层的结晶状况,并制备出较高效率的CIGS薄膜太阳电池。本论文首先通过软件模拟和实验操作分析了镀液所需的络合剂的性能,确定了用焦磷酸钾作为电镀Cu-Ga合金的络合剂;然后分析了镀液中主盐浓度、pH值及电镀工艺等条件对沉积薄膜成分和电流效率的影响,最终确定了焦磷酸钾电镀Cu-Ga溶液的成分及电镀工艺,在Mo衬底上电沉积出了成分合适的Cu-Ga合金预制层;最后研究了电沉积Cu-Ga合金预制层制备的CIGS薄膜的晶体结构和表面形貌,通过电沉积In金属层制备出成分合适的Cu-Ga/In预制层,并经过合金化后硒化的方法制备出了成分合适、致密均匀的CIGS薄膜,并研究了合金化条件对薄膜质量的影响。
为了进一步提高电沉积预制层制备的CIGS薄膜的结晶状况,制备出晶粒尺寸大、表面致密均匀的CIGS薄膜,从而提高电池效率。本论文研究了分步法电沉积制备Sb掺杂的CIG预制层的硒化工艺。首先,研究了电沉积Sb的反应原理,发现Sb在Cu上的电沉积反应是分步进行的,电沉积掺Sb对后续分步电沉积Ga金属层有较大影响,电沉积Ga的电流效率随锑含量的增加而降低;其次,在高真空条件下硒化制备的Sb掺杂CIGS薄膜中,摩尔含量0.5%的Sb使CIGS薄膜晶粒尺寸明显增大,并且CIGS(112)取向峰值提高,但两相分离现象仍然存在;最后,在等离子体硒化法制备的Sb掺杂CIGS薄膜中,由于等离子体硒化更加充分,Sb掺杂的CIGS薄膜的晶粒尺寸随着Sb含量的升高明显增大,薄膜表面形貌得到改善,但是随着Sb含量的升高,薄膜中CIGS(112)峰的两相分离现象有更明显的趋势。
另外,本论文将电化学共沉积Cu-Ga合金制备的CIGS薄膜和分步法电沉积的Sb掺杂CIGS薄膜分别制备出了电池器件,并对电池性能就行了分析。一方面,发现合金化处理对共沉积Cu-Ga合金制备的CIGS电池有很大影响,不经过合金化处理直接硒化制备的电池几乎全部短路而无效率,共沉积的Cu-Ga合金经250℃合金化硒化制备的CIGS电池效率为3.12%。另一方面,在高真空条下硒化制备的Sb掺杂的CIGS薄膜电池中,0.2%和1.0%Sb掺杂的电池效率均有所减下,而Sb的摩尔含量在0.5%时电池效率最高达到7.42%,说明适量的Sb掺杂能才够增加电池的性能;在等离子体硒化下制备的Sb掺杂的CIGS薄膜电池中,由于结晶状况差出现的CIGS峰两相分离导致掺入Sb的CIGS电池效率较未掺入Sb的电池效率降低,但掺入摩尔含量0.5%的Sb的CIGS电池开路电压仍有所提高。