低溫三步法成分調(diào)控對(duì)PI襯底CIGS薄膜材料及器件影響的研究.pdf

1、銅銦鎵硒(Cu(In，Ga)Se2，CIGS)薄膜太陽(yáng)電池具有高轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性好和抗輻照能力強(qiáng)等性能優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展前途的薄膜太陽(yáng)電池之一。而柔性聚酰亞胺(Polyimide，PI)襯底CIGS薄膜電池具有高質(zhì)量功率比、適合卷對(duì)卷規(guī)模化生產(chǎn)、單片集成和柔性可折疊等優(yōu)勢(shì)，其商業(yè)發(fā)展前景受到廣泛關(guān)注。目前，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(Swiss Federal Laboratories for Material Scienceand T

2、echnology，EMPA)在PI襯底上制備的CIGS薄膜電池效率達(dá)到20.4％，是CIGS薄膜電池轉(zhuǎn)換效率的世界記錄。
　　 本文主要研究了三步法成分調(diào)控，包括元素沉積速率和成分梯度調(diào)控對(duì)CIGS薄膜特性及器件性能的影響，并針對(duì)大面積單體PI襯底CIGS薄膜電池，開(kāi)展了PI襯底Mo薄膜、柵極和薄膜均勻性等方面的研究。
　　 PI襯底最高可承受溫度不超過(guò)450℃，低襯底溫度制備的CIGS薄膜具有結(jié)晶質(zhì)量差、薄膜表面粗糙

3、和成分梯度陡峭等缺點(diǎn)，導(dǎo)致較差的轉(zhuǎn)換效率。研究表明沉積速率和元素梯度分布是影響CIGS薄膜特性及電池效率的關(guān)鍵因素。
　　 三步法工藝第二步過(guò)程中CIGS薄膜發(fā)生一系列的相變，第二步沉積速率對(duì)薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制有重要影響。提高沉積速率可以顯著促進(jìn)薄膜晶粒生長(zhǎng)，提高晶粒緊湊程度降低晶界復(fù)合，同時(shí)有效改善兩相分離現(xiàn)象，提高電池的開(kāi)路電壓和短路電流，有助于CIGS電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。同時(shí)，第二步沉積速率提高，促進(jìn)暫態(tài)Cu2-xSe晶粒

4、的生長(zhǎng)，引起CIGS薄膜表面粗糙度增大，并阻礙Na向CIGS薄膜表面的擴(kuò)散，造成施主缺陷鈍化效應(yīng)降低，薄膜載流子濃度下降和電阻率升高，且過(guò)高的沉積速率會(huì)引起電池內(nèi)部復(fù)合增加并產(chǎn)生分流路徑，造成開(kāi)路電壓下降進(jìn)而引起電池效率的惡化。低溫高速沉積制備的CIGS薄膜太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率下降幅度為6％-10％，但是第二步沉積時(shí)間縮短86.3％，生產(chǎn)效率顯著提高，對(duì)電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。
　　 改變?nèi)椒℅a/In蒸發(fā)曲線，調(diào)控低溫制備CI

5、GS薄膜的成分梯度，可以有效促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散和化合，消除CIGS薄膜兩相分離現(xiàn)象，提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量，改善背電場(chǎng)的光生電子驅(qū)動(dòng)作用，提高載流子收集效率。研究表明，CIGS薄膜帶隙梯度平緩分布，可以降低光生電子輸運(yùn)勢(shì)壘，減小載流子復(fù)合幾率，電池開(kāi)路電壓和填充因子明顯提高。最終，襯底溫度為450℃下，制備出最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.99％的PI襯底CIGS薄膜電池。
　　 此外，本論文還研究了濺射氣壓和厚度對(duì)PI襯底Mo薄膜的影響，并研究了柵