铜基化合物薄膜太阳能电池关键材料研究

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铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池由于具有光电转化效率高、成本低、性能稳定等优点,被认为是极具发展前景的薄膜太阳能电池之一。CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为在玻璃衬底上依次生长Mo背电极、CIGS吸收层、CdS缓冲层、i-ZnO/ZnO:Al窗口层和Ni/Al栅电极,其核心是吸收层薄膜。CIGS吸收层的研究对制备高质量的薄膜太阳能电池尤为重要。目前,共蒸法和溅射后硒化法是制备CIGS薄膜的两种主要技术线路。共蒸法制备的小面积CIGS薄膜太阳能电池效率最高已经达到了20.3%,但该方法需要控制的参数较多,对设备要求严格,且大面积均匀性不好,不是很适合产业化的要求。溅射后硒化法是实现大规模产业化生产的最佳技术线路,因其所使用的设备和工艺都比较容易实现,大面积均匀性好。传统的溅射后硒化工艺大多采用硒化氢(H2Se)气体作为硒源,但H2Se气体有剧毒,易燃易爆,价格昂贵。另外,CdS作为CIGS太阳能电池的缓冲层,在制备过程中以及电池报废材料都对环境带来严重的污染,严重阻碍了CIGS太阳能电池的发展。本文以固态硒粉作为硒源,采用溅射后硒化法制备了CIS和CIGS吸收层薄膜材料,主要研究了硒化工艺对薄膜质量的影响,通过优化吸收层的制备参数以获得高质量的吸收层薄膜,并采用化学水浴法(CBD)制备新型无镉缓冲层,研究了工艺条件对缓冲层材料的影响,优化缓冲层的制备工艺,为研制环保、高效、低成本的CIGS薄膜太阳能电池打下基础。论文的研究内容可概括为以下几个部分:溅射后硒化法制备CIS吸收层:首先采用磁控溅射技术制备Cu-In预制层,然后以固态硒粉作为硒源,对预制层进行硒化制备CIS薄膜。通过扫描电镜(SEM)、特征X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和霍尔效应测试等材料表征技术对所制备CIS薄膜的形貌、成分、结构和电学性能等进行分析,重点研究了硒化过程中升温方式、硒化气氛和硒化方式对薄膜性能的影响。研究结果表明,最佳硒化条件为:采用三步升温法、在Ar气氛下、以“硒蒸汽法”硒化制备CIS薄膜。采用此工艺,在镀Mo玻璃衬底上采用Culn/In/Culn叠层方式的Cu-In预制层,制备出了具有非常理想的化学计量比的CIS薄膜,其Cu:In:Se原子比例为1.06:1:1.76,接近CIS的理想化学配比1:1:2。溅射后硒化法制备CIGS吸收层:为制备在厚度方向上具有带隙梯度的CIGS薄膜,通过采用磁控溅射技术制备了具有CuGa/In/CuGa、CuGa/CuIn/CuGa以及CuInGa/CuIn/CuInGa叠层结构的Cu-In-Ga预制层,然后在最佳硒化工艺条件下硒化得到CIGS薄膜。研究结果表明:制备的薄膜为黄铜矿结构,且具有(112)晶面择优取向;采用CuInGa/CuIn/CuInGa叠层结构的Cu-In-Ga预制层制备CIGS薄膜,能有效地减少In元素的流失,从而抑制薄膜中Cu2-xSe化合物的含量,制备的CIGS薄膜化学配比更好、结晶度更高、表面粗糙度适宜,且电学性能较理想,其霍尔系数为+22.88cm3C-1,载流子浓度为+2.51×1017cm-3,载流子迁移率为19.8cm2V-1s-1,电阻率为3.11×104Ω·cm。化学浴沉积法制备ZnS新型无镉缓冲层薄膜:以普通玻璃为衬底,以硫酸锌(ZnSO4)作为Zn2+源,硫脲(SC(NH2)2)作为S2-源,分别采用柠檬酸钠-氨水和联氨-氨水作为络合剂,研究了各工艺参数对于ZnS薄膜的形貌、结构以及光学特性等的影响,探索出了化学水浴法制备ZnS薄膜的最佳工艺参数:硫酸锌浓度为0.1M,联氨浓度为0.82M,氨水浓度为0.7M,硫脲浓度为0.75M,反应温度700C。通过对实验结果的分析,探讨了化学水浴法制备ZnS的沉积机理。化学浴沉积法制备ZnSxSe1-x新型无镉缓冲层薄膜:首先以自制的硒代硫酸钠(Na2SeSO3)乍为硒源,硫脲作为S2-源,硫酸锌作为Zn2+源,联氨-氨水作为络合剂,通过调节硒代硫酸钠和硫脲的浓度沉积了具有不同x值的ZnSxSe1-x薄膜。研究了不同x值的ZnSxSe-x薄膜在形貌、结构和光学性能等方面的差异,实现了对ZnSxSe1-x薄膜带隙在2.80~3.77eV之间可控生长,这对优化CIGS太阳电池的结构、提高光电转换效率具有重要意义。
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