基于光纤基底制备CIGS薄膜与透明导电层的工艺研究

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人们一直希望太阳能电池能用在智能电子设备中供电,传统太阳能电池基本都以平面形式存在,而传统硬质平面太阳能电池在使用中存在变形能力差与中继距离短的问题,限制了它在通讯、生物医学设备、海洋工程、化学传感和军事等复杂领域情景下的应用与发展,尽管少数平面器件借助柔性高分子材料可以实现柔韧性,但是太阳能电池外形体积大、可编织性能差,使此类电池也比较难以在快速发展的电子工业中满足可携带高整合度微电子器件领域对产品模块轻量化与集成化的广阔应用需求。为了解决太阳能电池的应用和可编织方面存在的弊端,本文提出光纤作为电池的基底,采用磁控溅射法在光纤的侧面上研究CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺,通过将柔性光纤与多元化合物铜铟镓硒薄膜太阳能电池的优势有效地结合在一起,使光电池不仅具有可弯曲、质量轻、多角度收集光照和应用前景广泛的优点,而且为新型光子器件在飞艇、水下机器人、卫星、微型医疗器械和军用电子通讯器件电源等特殊曲面和高整合度集成方面的应用需求提供了可能性。本论文的主要工作包括:(1)根据课题研究的对象基底设计了一套满足柔性或硬性的圆柱体状基底在真空磁控溅射镀膜机腔室内悬空而不受外力的匀速旋转,并能够完成基底侧面上均匀镀膜和分层镀膜掩膜的镀膜夹具。(2)基于光纤基底研究CIGS吸收层薄膜的制备工艺及其相关特性的分析,通过调控铜铟镓硒、铜镓硒和硒化铟三块靶材元素组分的比例,CIGS吸收层薄膜晶体内Se元素组分含量从38.82%增加为50.42%得到明显的提升,可以有效解决Se元素缺失问题,成功采用无硒化混合分步式磁控溅射法代替硒化处理过程会产生H2Se有毒气体的传统制备工艺法来制备CIGS复合吸收层薄膜。(3)实验中研究分析了通过调整溅射顺序和时间对不同沉积方案制出的CIGS吸收层薄膜性能的影响,实验结果表明,在光纤基底的侧面上采用Dep-2溅射工艺方案中依次溅射铜铟镓硒、硒化铟和铜镓硒溅射源过程溅射制出的吸收层薄膜含量中Cu/(In+Ga)和Ga/(Ga+In)接近最优值,吸收层成膜表面致密光滑,其光学特性趋向于红外光波段,满足在光纤基底的侧面上制备内部光线结构的CIGS薄膜电池,薄膜晶体主要沿(112)晶面方向择优取向生长,形成结晶度和单相性良好的黄铜矿相结构薄膜。(4)基于光纤基底研究了溅射时间、不同溅射功率、溅射温度、溅射压强等沉积条件下,直流溅射ITO单一靶源沉积制备的ITO透明导电层薄膜的晶体结构和光电特性的变化。实验结果表明,ITO透明导电膜层的沉积速率随着沉积时间的增加而逐渐降低,并且在光纤基底的侧面上薄膜生长不是匀速的;溅射温度的变化对ITO透明导电层结构和光电特性的影响较大,而溅射功率和溅射压强对ITO透明导电层结构和光电特性的影响小,实验依次通过优化溅射功率、溅射温度和溅射压强来确定最佳的制备工艺参数,当溅射功率为85W、溅射温度为350℃、溅射压强为0.7 Pa时,在光纤基底的侧面上制出ITO透明导电电极薄膜晶体结构和光电性能最佳,其膜厚为186 nm,表面平整光滑并呈(400)晶体方向择优取向生长,获取薄膜的最小电阻率为2.5×10-4Ω·cm,透光率约为75%。
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