氟化鉀摻雜對(duì)銅銦鎵硒吸收層薄膜及器件的影響研究.pdf

1、銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se2, CIGS)薄膜太陽能電池具有穩(wěn)定性好、光電轉(zhuǎn)換效率高、弱光性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而日益受到人們的青睞。在工業(yè)化道路上，日本的Solar Frontier是全球CIGS太陽電池的最大供應(yīng)商，到2015年其出貨量已超過3 GW，平均量產(chǎn)效率可達(dá)13.8％；中國漢能公司近年來收購了德國Solibro和美國Miasole等CIGS太陽電池公司，走上了發(fā)展的快車道，2015年其裝機(jī)容量達(dá)到400 MW，柔性組件達(dá)到

2、100MW，組件最高效率可達(dá)16.1%。因此，CIGS薄膜太陽能電池被認(rèn)為是最具工業(yè)化發(fā)展前景的太陽能電池之一。2016年，CIGS薄膜太陽電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到22.3%(日本Solar Frontier宣布取得)，此外，已有多家研究機(jī)構(gòu)報(bào)道其轉(zhuǎn)化效率接近或超過了21%，包括瑞士EMPA、德國ZSW、德國Solibro等。CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)中的各功能層材料的制備和優(yōu)化在電池效率的提升和不斷突破方面具有十分重要的作用，其

3、中CIGS薄膜光吸收層材料的制備工藝和后處理工藝的優(yōu)化包括微量堿金屬如鈉(Na)、鉀(K)元素的摻雜扮演了非常重要的角色。
　　目前，高效率CIGS薄膜太陽電池的CIGS吸收層采用“三步法”共蒸發(fā)沉積工藝進(jìn)行制備，可形成大晶粒和梯度帶隙，有效減少材料內(nèi)部缺陷，同時(shí)提高光生電流和開路電壓。在三步法制備CIGS薄膜太陽電池方面，本研究發(fā)現(xiàn)Se源的蒸發(fā)溫度對(duì)CIGS薄膜的材料特性及太陽電池的器件性能具有十分重要的影響和作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

4、，隨著Se源加熱溫度（Se蒸發(fā)速率）的增大，薄膜的沉積厚度顯著下降；XRF測試結(jié)果顯示各組分中Cu的含量下降明顯，In含量稍有上升，Se基本維持恒定；SEM結(jié)果顯示當(dāng)Se蒸汽壓較低時(shí)，薄膜晶粒較大，這可能與高的Cu/(In+Ga)(即CGI)比例有關(guān)；Raman測試結(jié)果顯示在高的Se蒸汽壓下沉積的薄膜在波數(shù)為153 cm-1處出現(xiàn)了有序缺陷化合物(ordered defect compounds, ODC)的相。當(dāng)Se源加熱溫度為160

5、℃時(shí)，太陽電池開路電壓(VOC)、填充因子(FF)和短路電流(JSC)都得到提高，取得了11.8%的高的電池光電轉(zhuǎn)換效率。
　　眾所周知，微量的堿金屬元素的摻雜能夠顯著改善CIGS薄膜太陽電池的光電性能。最簡單有效的摻雜方法是直接用鈉鈣玻璃作為生長基底，玻璃中的堿金屬（主要是Na）會(huì)在CIGS沉積過程中通過Mo層進(jìn)入吸收層，提高薄膜的載流子濃度，增大晶粒尺寸并通過對(duì)缺陷的修飾減少復(fù)合。而目前針對(duì)于堿金屬K的研究較少，其作用機(jī)理仍不

6、明確。本論文采用后沉積工藝(post-deposition treatment, PDT)，即在已制備好的CIGS光吸收層材料上蒸發(fā)沉積一定厚度的氟化鉀(KF)或氟化鈉(NaF)材料，然后通過后退火工藝使得一定量的堿金屬元素K或者Na擴(kuò)散進(jìn)入CIGS吸收層材料的表層和內(nèi)部，能夠提高吸收層的載流子濃度，鈍化材料內(nèi)部及表面缺陷，可以有效地改善的吸收層材料的材料特性，進(jìn)而提高器件開路電壓和填充因子；但堿金屬過量后又會(huì)對(duì)器件的光電性能產(chǎn)生嚴(yán)重的

7、破壞作用。本工作通過調(diào)節(jié)KF源的蒸發(fā)溫度、襯底溫度和KF的蒸發(fā)時(shí)間，系統(tǒng)優(yōu)化摻雜工藝和材料特性從而不斷提高太陽電池器件性能。XRD、Raman測試結(jié)果表明K的摻雜并不能帶來材料晶體結(jié)構(gòu)的變化；SEM測試結(jié)果表明K摻雜影響CIGS薄膜表面形貌，并不會(huì)改變材料的深層結(jié)構(gòu)。同時(shí)，C-V測試表明K摻雜能在一定程度上增加吸收層的載流子濃度，提高太陽電池的開路電壓，另外，PDT工藝下的K摻雜對(duì)吸收層、緩沖層界面會(huì)有一定的破壞作用，使之串聯(lián)電阻上升，