納米薄膜光學常數(shù)的研究和高效率銅銦鎵硒薄膜光伏器件的制備.pdf

1、二十世紀以來薄膜技術(shù)的發(fā)展帶來諸多技術(shù)領(lǐng)域的突飛猛進，如電子半導體工藝、磁存儲技術(shù)、光學涂層、發(fā)光二極管、薄膜光伏技術(shù)等等。其中薄膜技術(shù)的一項主要應用在光學領(lǐng)域，而光學領(lǐng)域的應用離不開對薄膜光學常數(shù)的了解，當薄膜厚度處于納米量級時，其光學常數(shù)會展現(xiàn)出不同于常規(guī)體材料的光學性質(zhì)，正是這些獨特的光學、電磁學特性使其在現(xiàn)代光電子工業(yè)領(lǐng)域占有重要地位，對納米薄膜光學常數(shù)的研究不僅有助于我們提高薄膜生長的質(zhì)量，也有助于我們進一步挖掘薄膜的應用潛力

2、。基于此，在本論文的前半部分我們在橢偏法的基礎(chǔ)上發(fā)展出橢偏光度迭代法用于精確測定不同材料納米薄膜的光學常數(shù)并研究光學常數(shù)與厚度或溫度之間的關(guān)系。
　　薄膜技術(shù)的另一項重要應用在太陽能電池領(lǐng)域，銅銦鎵硒薄太陽能電池作為第二代薄膜電池的代表，具有成本低、效率高、穩(wěn)定性強等一系列優(yōu)點，現(xiàn)已成為最具前景的太陽能電池之一。然而，現(xiàn)階段制約其應用的主要因素還是其光電轉(zhuǎn)換效率還沒有高到可以使太陽能電池的經(jīng)濟效益可以與傳統(tǒng)能源相比。因而在本論文的

3、后半部分，我們致力于如何改進工藝制備出高效率的銅銦鎵硒光伏器件。
　　本論文主要包括基于橢偏光譜法研究不同納米薄膜的光學常數(shù)和高效率銅銦鎵硒太陽能電池的制備兩大方面內(nèi)容。本論文共包含七章，具體內(nèi)容如下:第一章前半部分從麥克斯韋方程組開始詳細介紹了光在物質(zhì)中的傳播過程并引出橢偏儀的工作原理以及薄膜光學常數(shù)的幾種主要測量方法;后半部分從當今世界能源危機出發(fā)系統(tǒng)介紹了光伏的誕生背景以及光伏的原理，并重點介紹了銅銦鎵硒太陽能電池的發(fā)展歷史

4、及其獨特的性質(zhì)所帶來的技術(shù)上的優(yōu)勢。
　　第二章在傳統(tǒng)橢偏法的基礎(chǔ)上發(fā)展了橢偏光度迭代法，通過該方法獲得了不同厚度銀薄膜的光學常數(shù)，在光學常數(shù)的基礎(chǔ)上推出銀薄膜的表面及體能量損失函數(shù)，進而分析了銀薄膜表面等離激元與薄膜厚度之間的關(guān)系。
　　第三章通過橢偏光度迭代法獲得了不同厚度的在空氣中經(jīng)過自然氧化的銅薄膜的等效光學常數(shù)，同時運用橢偏技術(shù)具體分析了此類薄膜的表面結(jié)構(gòu)，包括表面粗糙層、氧化亞銅層以及銅層分別所占的厚度，并根據(jù)實

5、驗結(jié)果對銅薄膜在空氣中自然氧化的機制作了分析。
　　第四章研究了硅表面覆蓋有約300nmSiO2這一體系在0℃～600℃下的變溫光學性質(zhì)，通過使用Cauchy模型替代SiO2和用B-spline對Si襯底進行參數(shù)化得到了SiO2和Si在不同溫度下的光學常數(shù)，并具體分析了SiO2的折射率溫度系數(shù)隨溫度及波長的變化。
　　第五章通過控制生長過程中束源爐溫度人為改變Ga梯度的過程中，研究并分析了生長工藝、Ga梯度形狀和電池性能三者

6、之間的關(guān)系。最終，通過使第一步中In源溫度逐漸升高，Ga源溫度逐漸降低，第三步前半段中In源溫度逐漸降低，Ga源溫度逐漸升高，形成人為控制的Ⅴ型帶隙，使電池同時具有較好的開路電壓、短路電流和FF，成功獲得無減反層情況下17.5％效率的電池。
　　第六章首先采用不同厚度的Al2O3阻擋層證明了玻璃中的Na擴散進入CIGS吸收層的量過多或過少都會對電池性能尤其是開路電壓產(chǎn)生不利影響，在本文所采用的實驗條件下，1nm的Al2O3可以使擴

7、散出的Na的量處于最佳水平。接著，我們嘗試通過足夠厚的Al2O3阻擋層將Na從玻璃向吸收層的擴散通道完全阻隔，再采用NaF后處理的方式添加Na，結(jié)果表明此種添加方式所制備的電池優(yōu)于完全沒有Na的情況，但是劣于通過從玻璃中擴散的方式添加Na。最后，我們將Al2O3阻擋層與NaF后處理技術(shù)同時使用，電池性能得到明顯提高，最終通過3nm的Al2O3阻擋層配合33nm的NaF后處理技術(shù)同時使用使電池效率達到16.5％（無減反層）。
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