Cu(In,Ga)Se_2太阳能电池中Ga梯度分布的优化及其在低温生长工艺中的应用

【摘要】：铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS)太阳能电池由于其具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强及光电转化率高等优点，被称为最有前途的廉价太阳能电池之一。CIGS太阳能电池无论是在民用上还是军用上，都有广阔的应用前景。为了进一步发展CIGS太阳能电池，降低生产CIGS太阳能电池的成本意义重大。其中制备高效率CIGS电池和降低CIGS制备过程中衬底温度是降低成本的两个重要的手段。 基于上述背景，本文从优化CIGS电池中的Ga的梯度分布角度出发，研究共蒸发法CIGS制备过程中各工艺参数对Ga梯度分布的影响，在此基础上通过主动调节的方法，以期人为的去改变和控制CIGS电池中Ga的梯度分布，从而提高CIGS电池性能和降低CIGS电池制备过程所需的衬底加热温度。本论文主要分为三部分，具体内容如下： 第一部分主要是研究工艺参数，如Ga/[In+Ga]、Cu/[In+Ga]的组分比和衬底温度的选定等，对Ga在CIGS吸收层的空间梯度分布及CIGS电池性能的影响。研究表明，为得到合适的Ga的梯度分布和高的CIGS电池转换效率，Ga/[In+Ga]含量控制在0.30-0.38之间，Cu/[In+Ga]含量在0.91-0.95之间，衬底温度选择在高温540℃。 第二部分为常规高温衬底工艺下，通过人为的主动控制方法，优化CIGS吸收层中Ga的梯度分布。人为的主动控制Ga梯度分布主要是通过改变Ga、In金属源的蒸发顺序和蒸发时间来实现。实验发现，高温工艺下CIGS吸收层中Ga/[In+Ga]的V型梯度分布已经在一个较合适的区域附近。要使电池效率得到提高，可使现有V型梯度分布变得稍微平缓。实验中是通过在第一步蒸发工艺中先蒸发1.5min的In，然后共蒸In和Ga，最后只蒸发1.5min的Ga来实现这种平缓的Ga的梯度分布。经优化的CIGS太阳能电池的效率在无MgF_2减反层的情况下高达17.42%。 第三部分为低温衬底工艺下，通过人为的主动控制方法，优化CIGS吸收层中Ga的梯度分布。人为的主动控制Ga梯度分布主要是通过改变蒸发法中第一步In、Ga的开启顺序和蒸发时间以及改变第三步中Ga蒸发温度来实现。实验中发现第一步中先蒸发In最后蒸发Ga以及第三步中适当提高Ga蒸发温度，可以避免了低温工艺中Ga在Mo背面聚集的消极影响和提高CIGS吸收层近表面Ga的含量分布，改善了电池的Voc、Jsc和FF,从而提高低温工艺制备的CIGS电池的效率。同时，实验发现，通过优化CIGS吸收层中Ga的梯度分布，在低温生长条件下同样也可以得到高温条件下好的CIGS薄膜结晶质量。在衬底温度为470℃的低温生长条件下，制备出了效率为15.0%的CIGS太阳能电池，此效率在低温生长CIGS电池效率中处于世界较高的水平。 【关键词】：铜铟镓硒太阳能电池 Ga梯度 低温 蒸发法
【学位授予单位】：中国科学院深圳先进技术研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 CIGS 太阳能电池概述12-17
• 1.2.1 CIGS 太阳能电池的结构12-13
• 1.2.2 CIGS 太阳能电池的性能参数13-15
• 1.2.3 CIGS 吸收层的光电性质和制备方法15-17
• 1.3 Ga 的梯度分布对 CIGS 太阳能电池效率的影响17-20
• 1.4 低温生长 CIGS 太阳能电池的研究状况20
• 1.5 本论文研究的意义与内容20-23
• 1.5.1 研究的目的和意义20-21
• 1.5.2 采用的技术路线和创新点21-23
• 2 实验与分析测试方法23-31
• 2.1 实验方法23-26
• 2.1.1 CIGS 太阳能电池生长系统23-24
• 2.1.2 共蒸发法制备 CIGS 吸收层24-26
• 2.2 分析测试方法26-31
• 2.2.1 量子效率26-27
• 2.2.2 EDS 线扫描27-28
• 2.2.3 X 射线衍射仪(XRD)28
• 2.2.4 光致发光光谱仪(PL)28-31
• 3 工艺参数对 Ga 在 CIGS 吸收层空间梯度分布的影响31-41
• 3.1 Ca/[In+Ga]对 Ga 梯度分布影响31-33
• 3.1.1 实验部分31
• 3.1.2 结果与讨论31-33
• 3.2 Cu/[In+Ga] 对 Ga 梯度分布影响33-38
• 3.2.1 实验部分33-34
• 3.2.2 结果与讨论34-38
• 3.3 衬底温度对 Ga 梯度分布影响38-41
• 3.3.1 实验部分38
• 3.3.2 结果与讨论38-41
• 4 主动调节法优化高温工艺中 Ga 在 Cu(In,Ga)Se2吸收层空间梯度分布41-47
• 4.1.1 实验部分41-42
• 4.1.2 结果与讨论42-47
• 5 主动调节法优化低温工艺中 Ga 在 Cu(In,Ga)Se2吸收层空间梯度分布47-55
• 5.1.1 实验部分47-48
• 5.1.2 结果与讨论48-55
• 6 总结与展望55-57
• 6.1 工作总结55-56
• 6.2 工作展望56-57
• 参考文献57-61
• 在学期间学术成果情况61-63
• 作者简介63-65
• 致谢65

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