硫族化合物薄膜太阳能电池材料研究

【摘要】：铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池作为最有潜力的薄膜太阳能电池之一，具有吸收系数高、带隙可调、性能稳定、抗辐射能力强等优点。目前，一般采用三步共蒸发法制备CIGS太阳能电池的吸收层Cu(In_(0.7)Ga_(0.3))Se_2(CIGS)薄膜。尽管三步共蒸法在应用于高效率的CIGS电池器件的制备上已经取得很大进展，但其沉积过程中对各元素的蒸发速率精确的控制要求和复杂的工艺给大规模生产带来了困难。另一种CIGS薄膜制备的主流方法为溅射金属预置层后硒化法，但硒化过程受很多参数影响，造成了此工艺技术的复杂性。 为了克服目前CIGS吸收层薄膜制备工艺的缺点，本文中采用单靶磁控溅射方法沉积CIGS薄膜。并采用X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱仪、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线能谱仪（EDS）、紫外-可见-近红外分光光度计分析研究了溅射压强、溅射功率以及衬底温度工艺参数对薄膜的晶体结构、微观形貌、元素组分以及光学特性的影响，以此来确定制备高质量的CIGS吸收层的最佳的工艺参数。结果表明，在溅射压强为1mTorr、溅射功率为200W、衬底温度为623K的工艺条件下沉积的CIGS薄膜具有单相黄铜矿结构、晶化程度最好、组分符合高效吸收层的要求。 CIGS薄膜溅射完成之后，再采用磁控溅射的方法依次沉积ZnS薄膜和ZnO:Al（AZO）薄膜分别作为电池的缓冲层和窗口层。在衬底温度为室温、溅射功率为100W、溅射压强为3.75mTorr的工艺条件下沉积的ZnS薄膜具有面心立方闪锌矿结构，沿（111）晶面择优生长，晶面方向垂直于衬底表面。薄膜表面平整致密，晶粒分布均匀，不存在裂缝和孔隙。另外，ZnS薄膜还表现出良好的光学性能，在可见光(380-780nm)范围内平均透射率大于75%，综合性能良好，非常适合作为太阳能电池的缓冲层。在衬底温度为室温、溅射功率为200W、溅射压强为3mTorr的工艺条件下沉积的AZO薄膜具有六角纤锌矿结构，呈c轴择优取向，垂直于衬底表面，表现出良好的电学和光学性能，电阻率为5.99×10~(-3)Ω cm，在可见光区的平均光透射率大于85%，综合性能良好，非常适合作为太阳能电池的窗口层。 为了研究将全溅射方法应用于太阳能电池制备的可行性，按照钠钙玻璃(SLG)/Mo(1.2μm)/CIGS(2μm)/ZnS(50nm)/AZO(700nm)/Al(1μm)的结构采用全溅射方法完成了CIGS太阳能电池器件。电池的有效面积为0.99cm~2，开路电压V_(oc)=627mV，短路电流密度I_(sc)=15.6mA/cm~2，填充因子FF=0.37，转换效率η=3.61%。实验结果验证了采用全溅射方法制备无镉的铜铟镓硒太阳能电池的可行性。 【关键词】：无镉 铜铟镓硒 太阳能电池 全溅射 ZnS缓冲层
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池概述11-15
• 1.3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构15-20
• 1.4 本文研究的主要内容20-21
• 1.5 本章小结21-22
• 2 薄膜的制备和分析测试技术22-31
• 2.1 磁控溅射技术22-24
• 2.2 薄膜的分析测试技术24-30
• 2.3 本章小结30-31
• 3 CIGS 太阳能电池各构成膜的研究31-56
• 3.1 CIGS 吸收层31-48
• 3.2 ZnS 缓冲层48-51
• 3.3 ZnO:Al 窗口层51-54
• 3.4 Mo 背电极54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 4 CIGS 太阳能电池器件的研究56-60
• 4.1 CIGS 太阳能电池的制备56
• 4.2 CIGS 太阳能电池的实验结果及讨论56-59
• 4.3 本章小结59-60
• 5 结论60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-71
• 附录1 攻读硕士学位期间申请的专利和文章71

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