太阳能电池材料（CuIn）_(1-x)Zn_(2x)Se_2薄膜的制备和光学性质研究

【摘要】：多晶CuInSe2(CIS)基的异质结在光伏领域具有广阔应用前景。其中以CuInGaSe2(CIGS)为吸收层的太阳能薄膜电池效率已经达到了20.8%,并不断接近该材料光电转换效率的理论值。 追求高太阳能电池转换效率的同时,如何降低成本,实现太阳能薄膜电池更广的实用性,也是人们一直研究的热点。本文从锌掺杂能有效提高CIS的光学带隙,并能取代部分稀有金属铟,降低成本的角度考量,探索了单靶磁控溅射和分层金属溅射(CuIn/Zn/Cu)后硒化两种方法制备(CuIn)1-xZn2xSe2(CIZS)薄膜,研究了CIZS薄膜的微结构、光学特性并制备了基于CIZS吸收层的太阳能电池。主要研究成果如下： (1)利用单靶溅射法制备了CIS和CIZS薄膜,并研究了不同衬底温度及掺锌对CIS薄膜结构,光学特性的影响。 a)单靶制备CIS及CIZS薄膜,即利用磁控溅射法对单个CIZS化合物靶材进行溅射沉积,成功制备出纯相CIZS薄膜,该方法可以省略传统的硒化手续,简化薄膜制备工艺。X射线衍射(XRD)表征发现,随衬底温度升高,CIZS薄膜的择优取向先从(112)晶向变为(220)晶向,而后从(220)转变为(112),这是由于适宜的衬底温度能为晶粒的择优取向生长提供能量； b)能量色散X射线光谱(EDX)分析发现,CIS薄膜表面富铜而CIZS薄膜表面贫铜,同时CIS薄膜未出现随温度变化择优取向改变的现象,因此择优取向的改变与组分也有关,锌掺杂引起薄膜组分的变化,进而影响CIZS薄膜择优取向的变化； c)透射谱表征表明：CIZS薄膜禁带宽度明显大于CIS薄膜,这体现了锌掺杂对CIS薄膜禁带宽度的优化； d)扫描电子显微镜(SEM)测试结果显示,CIZS薄膜比CIS薄膜表面更加致密,均匀且平滑,晶粒尺寸更小。这说明锌的掺入抑制了晶粒的生长。 (2)利用分层金属后硒化/硫化制备CIZS和CIS薄膜,并进行太阳能电池器件制备的探究。 利用磁控溅射制备Mo底电极,分层金属预溅射,通过后硒化/硫化工艺促进薄膜结晶并形成纯相CIZS和CIS薄膜,在80℃下用化学水浴法制备的双层CdS薄膜,再利用磁控溅射法制备本征ZnO和AZO窗口层,最终制得完整的CIZS太阳能薄膜电池器件。硒化后的薄膜虽然结晶性质很好但始终未出现效率,可能是未形成有效的PN结。改用硫化工艺,初步制得0.8%的转换效率的铜铟锌硫薄膜太阳能电池。 【关键词】：磁控溅射 Cu_(0.9)In_(0.9)Zn_(0.2)Se_2 太阳能电池 硒化
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 引言13-14
• 1.2 太阳能电池基本理论14-18
• 1.2.1 工作原理14-16
• 1.2.2 CIS太阳能电池16-18
• 1.3 研究进展及现状18-20
• 1.4 论文研究目的及计划20-22
• 参考文献22-26
• 第二章 CIS和CIZS薄膜制备26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 CIS及CIZS的靶材制备与表征26-31
• 2.2.1 CIS靶材的制备与表征26-29
• 2.2.2 CIZS靶材的制备与表征29-30
• 2.2.3 注意事项30-31
• 2.3 CIS和CIZS薄膜制备31-33
• 2.3.1 磁控溅射原理31-32
• 2.3.2 实验准备32
• 2.3.3 实验过程32-33
• 2.4 硒化/硫化装置33-35
• 2.4.1 硒化/硫化炉介绍33
• 2.4.2 硒化/硫化参数摸索33-35
• 2.5 本章小节35-36
• 参考文献36-37
• 第三章 单靶溅射CIS和CIZS薄膜的结构表征及特性研究37-56
• 3.1 引言37-38
• 3.2 CIS和CIZS薄膜的XRD表征38-42
• 3.2.1 CIZS薄膜的XRD表征38-39
• 3.2.2 CIZS和CIS薄膜的XRD对比表征39-41
• 3.2.3 Mo衬底上的CIZS薄膜XRD表征41-42
• 3.3 EDX分析42-44
• 3.3.1 CIZS薄膜EDX分析42-43
• 3.3.2 CIZS和CIS薄膜EDX对比分析43-44
• 3.4 CIS和CIZS薄膜的Raman表征44-47
• 3.4.1 CIZS薄膜的Raman表征44-45
• 3.4.2 CIS和CIZS薄膜对比拉曼表征45-47
• 3.5 透射图谱分析47-50
• 3.5.1 CIZS薄膜的透射分析47-48
• 3.5.2 CIS和CIZS薄膜对比透射图谱48-50
• 3.6 SEM表征50-52
• 3.6.1 CIZS薄膜的SEM表征50-51
• 3.6.2 CIS和CIZS薄膜SEM对比表征51-52
• 3.7 本章小结52-54
• 参考文献54-56
• 第四章 CIS和CIZS薄膜太阳能电池器件制备研究及性能表征56-68
• 4.1 引言56-57
• 4.2 太阳能电池器件制备57-58
• 4.2.1 水浴法制备CdS缓冲层57-58
• 4.2.2 窗口层制备58
• 4.3 太阳能电池SEM表征58-59
• 4.4 电池性能表征59-61
• 4.5 提高太阳能电池效率的摸索61-64
• 4.6 本章小结64-66
• 参考文献66-68
• 第五章 总结与展望68-70
• 5.1 总结68-69
• 5.2 展望69-70
• 致谢70-71
• 附 硕士期间发表学术论文71

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