溅射制备Zn(O,S)薄膜及其在CIGS和CZTSe太阳电池的应用

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铜铟镓硒(CIGS)太阳电池是目前效率最高的薄膜太阳电池,其小面积制备效率最高已经达到21.7%,大面积器件已经超过15%。铜锌锡硒(CZTSe)太阳电池是由CIGS太阳电池发展而来的,由于避免了In和Ga的使用,可以有效降低电池的成本,目前CZTSe太阳电池已经具有超过10%的效率。通常的CIGS太阳电池和CZTSe太阳电池在制备时,大部分制备过程都是在真空环境下制备,但是在制备缓冲层时,仍然采用非真空法制备硫化镉(CdS)缓冲层,这样样品将经历真空-非真空-真空条件,中间存在真空室的抽放气过程,造成了大量时间和能量的浪费。本文通过真空法制备 Zn(O,S)缓冲层,有利于 CIGS、CZTSe太阳电池全真空法制备工艺的实现。  本文通过射频溅射法制备了Zn(O,S)缓冲层,对不同沉积条件下的Zn(O,S)薄膜的性质作出了探究。研究发现:降低功率能够有效地增加薄膜中的 O含量;溅射气压对Zn(O,S)的溅射速率和薄膜成分影响则非常小;少量O2的通入增加了薄膜的沉积速率,并且在衬底温度较高的时候,通入的O2会有效地掺入薄膜。此外,在溅射的 Zn(O,S)薄膜中,存在着大量的 Zn(O,H)2相,与之相类似的是,在CBD方法制备的Zn(O,S)缓冲层中也大量存在Zn(O,H)2相。  通过XPS测试、CV测试、Hall测试、椭圆偏振等测试手段,确定了Zn(O,S)/CIGS异质结能谱,获得的数据被用在 wxAMPS太阳电池分析软件中,用来辅助分析缓冲层对太阳电池的影响。  在Zn(O,S)缓冲层的CIGS太阳电池上,研究了不同条件下制备的Zn(O,S)缓冲层对CIGS太阳电池的影响。溅射缓冲层的电池结构为CIGS/Zn(O,S)-1/Zn(O,S)-2,缓冲层分为双层溅射,以方便进行参数对比。Zn(O,S)-1中添加 O2,发现比在Zn(O,S)-2中添加O2更能够有效促进电池的效率,通过模拟和实验验证了O2对缓冲层成分的影响。在常温、100℃和150℃下制备Zn(O,S)缓冲层时,发现随着温度的升高,整个电池效率的分布也趋向于均匀;温度的升高同时有利于 Zn(O,S)中O/S成分的增加。在分析Zn(O,S)-1中不同功率和不同气压对CIGS太阳电池的影响的时候,发现电池的厚度可以通过溅射功率的调节而变化从而影响短路电流,而增加溅射气压会有效地增加电池分布的均匀性。CIGS太阳电池的最高效率已经达到10.06%。  本文还对 Zn(O,S)缓冲层的 CIGS太阳电池做了光处理和热处理,发现对于CIGS太阳电池来说,基本不存在Light-Soaking现象,通过热处理分析了Zn(O,H)2材料对整个电池的影响,实验发现,Zn(O,H)2分解前后对太阳电池的影响非常微弱。  本文还在CZTSe太阳电池上沉积了Zn(O,S)缓冲层,并对CZTSe太阳电池的特性做了研究。与CIGS太阳电池不同的是,在CZTSe太阳电池中,存在着明显的Light Soaking Effect,这说明在CZTSe太阳电池CBO非常大的情况下,通过光照可以在很大程度降低CBO的数值,从而改善电池的效率。CZTSe太阳电池的效率已经达到5.64%。
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