銅銦鎵硒薄膜太陽能電池關(guān)鍵材料與原理型器件制備與研究.pdf

1、銅銦鎵硒(Cu(In，Ga)Se2，簡寫GIGS)薄膜太陽能電池以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而引起國際光伏界的廣泛關(guān)注。本文主要從高效、低成本以及環(huán)境友好等角度出發(fā)，研究電池器件中光吸收層和緩沖層等薄膜材料的真空和非真空制備工藝，以期為CIGS薄膜電池的大面積商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。論文主要分為三部分，具體內(nèi)容如下： 第一部分主要包括高質(zhì)量CIS和CIGS薄膜的真空濺射后硒化工藝探索及其反應(yīng)機理研究。首先，是CIS薄膜的

2、射頻濺射后硒化法制備。采用Cu靶和In靶依次濺射CuIn金屬預(yù)置層，以Se粉取代劇毒H2Se硒化，制備出了接近化學(xué)計量比的富銅CIS薄膜，對薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和電學(xué)性能進行了表征，得到了最佳的硒化溫度500℃，并推斷出CuSe與InSe在高溫下化合生成CIS的反應(yīng)路線。然后，是CIGS薄膜及器件的射頻濺射后硒化法制備。根據(jù)高效電池的梯度帶隙“三明治”結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用CuInGa合金靶和In靶交替濺射CuInGa金屬預(yù)置層，并利用多步分層式硒化

3、法，來降低硒化過程中Ga的偏聚和優(yōu)化薄膜組分，制備出了高質(zhì)量的CIGS薄膜及效率器件，得到4.67％的光電轉(zhuǎn)換效率。最后，采用脈沖激光沉積(PLD)后硒化法制備CIS薄膜。利用PLD腔的較高真空度，對金屬預(yù)置層進行低溫合金化，硒化后制備出了符合化學(xué)計量比的CIS薄膜，吸收系數(shù)達到了105cm—1量級，光學(xué)帶隙為0.98 eV，并證明了低溫合金化工藝有利于CIS單相薄膜的形成。 第二部分為CIS薄膜的低成本非真空法制備。首先，采用

4、操作簡單的電沉積工藝制備CIS薄膜。以導(dǎo)電玻璃(ITO)為襯底，采用恒電位共沉積的方法成功制備出了符合化學(xué)計量比的CIS薄膜，考察了沉積電位、溶液PH值、濃度配比、絡(luò)合物以及退火工藝等因素的影響，并得出了電沉積CIS薄膜的最佳工藝：配比為Cu：In：Se=1：5：2，絡(luò)合劑檸檬酸鈉的濃度為0.1 M/L，在PH值為1.7，電壓為1.6V的條件下制備的CIS薄膜較好，退火后薄膜結(jié)晶性能大幅度提高。其次，采用同樣合成簡單、成本低廉的非真空旋

5、涂工藝制備CIS薄膜及器件。分別以Cu—In和Cu—In—Se兩種可溶性鹽為前驅(qū)物，采用簡單易操作的旋涂法制備CIS薄膜，探索出了單相性較好的CIS薄膜的非真空旋涂制備工藝，并研究了不同前驅(qū)物漿料對薄膜成相質(zhì)量及性能的影響規(guī)律，結(jié)果說明Cu—In—Se前軀體更能制備出光滑平整的薄膜，并采用非真空法制備出了CIS效率電池，光電轉(zhuǎn)換效率為0.97％。 最后一部分為無毒環(huán)保型緩沖層材料ZnS薄膜的制備。首先，主要是采用操作簡單的濕法化

6、學(xué)浴和電沉積工藝制備ZnS薄膜，探索出了電沉積和化學(xué)浴法制備ZnS薄膜的最佳工藝：PH=3，U=0.1V，t=30min；T=80℃，t=15min，考察了退火工藝的影響，并通過各種表征手段對兩種工藝進行了比較，對比得出采用電化學(xué)法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CBD法的結(jié)論。其次，則主要想從干法的PLD工藝入手，開發(fā)全干法的CIGS制程工藝。在不同的沉積溫度下制備出了高質(zhì)量的ZnS薄膜，對薄膜進行了表征，對比濕法沉積的CdS工藝，具有成本低、無毒環(huán)保和