CIGS薄膜太阳能电池关键功能层的制备及表征

【摘要】：铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池具有转换效率高、生产成本低、抗辐射性能强和弱光特性好等许多优点,是极具发展前景的薄膜太阳能电池之一。目前,小面积CIGS/CdS/Zn异质结薄膜太阳能电池的最高效率达到20.3%,十分接近晶硅电池的水平。但是,从产业化发展水平的角度来看,CIGS电池较晶硅电池还存在较大的差距。制约CIGS电池商业化发展及应用的主要原因有以下两个方面：1)CIGS层的制备工艺极为复杂,大面积薄膜的均匀性较差；2)CIGS/CdS/ZnO多层膜构成的异质结结构,使得各层薄膜质量对电池性能的影响较大。 鉴于以上原因,本文从易于产业化发展的角度出发,提出了采用磁控溅射CIGS四元合金靶一步制备CIGS薄膜,并对溅射过程中相关工艺参数进行了系统性的研究；与此同时,采用化学水浴法和磁控溅射法分别对缓冲层CdS薄膜和窗口层ZnO薄膜进行了优化研究,为CIGS器件的开发奠定基础。具体研究内容如下： 1)采用磁控溅射CIGS四元合金靶一步制备CIGS薄膜,系统地研究了衬底温度、溅射功率和溅射气压对CIGS薄膜性能的影响。结果表明,该方法制备的CIGS薄膜均匀致密,与靶材具有一致的黄铜矿相结构。薄膜的微观形貌及化学成分比可以通过改变溅射参数进行调控,在衬底温度、溅射功率及溅射气压都较高的情况下,薄膜的晶粒尺寸较大、轮廓明显,具有较强的(220)/(204)择优取向,且薄膜的成分接近化学计量比。 2)采用化学水浴法沉积CdS薄膜,对相关工艺进行了研究。结果表明,化学水浴法可以在较短的时间内沉积出致密均匀的CdS薄膜。经过CdCl2热处理后,薄膜的晶化程度有所增强,光学性能得到提升。 3)采用磁控溅射法制备双层ZnO薄膜,系统地研究了溅射功率和衬底温度对ZnO:Al薄膜性能的影响。结果表明,适当的溅射功率和衬底温度有利于获得光电性能优良的ZnO:AI薄膜。 4)在对各层工艺优化的基础上,成功制备出具有光电转换效率的CIGS器件。由此可以看出,单一靶源磁控溅射法是一种非常有潜力的低成本制备工艺。 【关键词】：铜铟镓硒 单靶磁控溅射 薄膜太阳能电池 CdS Zn0
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 太阳能电池简介10-15
• 1.1.1 太阳能电池利用的重要性10-12
• 1.1.2 太阳能电池的发展与现状12-13
• 1.1.3. 太阳能电池基础13-15
• 1.2 CIGS薄膜太阳能电池简介15-23
• 1.2.1 CIGS太阳能电池的发展与现状15-18
• 1.2.2 CIGS太阳能电池的结构及特性18-21
• 1.2.3 CIGS薄膜的制备方法21-23
• 1.3 本论文研究的内容23-25
• 第二章 实验方法25-35
• 2.1 光吸收层CIGS薄膜的制备25-28
• 2.1.1 磁控溅射简介25-27
• 2.1.2 衬底的选择与清洗27
• 2.1.3 Mo层薄膜的制备27-28
• 2.1.4 CIGS层薄膜的制备28
• 2.2 缓冲层CdS薄膜的制备28-30
• 2.2.1 化学水浴沉积CdS薄膜的机理28-29
• 2.2.2 化学水浴法沉积CdS薄膜29-30
• 2.3 窗口层ZnO的制备30
• 2.4 材料的测试方法30-35
• 2.4.1 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)31
• 2.4.2 能谱仪(Energy Dispersive Spectroscopy)31-32
• 2.4.3 X射线衍射仪(X-ray Diffraction)32
• 2.4.4 紫外-可见光分光光度计(UV-Vis)32-33
• 2.4.5 霍尔测试系统(Hall Measurement)33-35
• 第三章 光吸收层CIGS薄膜的实验结果与讨论35-49
• 3.1 衬底温度的选择35-37
• 3.2 溅射功率对CIGS薄膜的影响37-40
• 3.2.1 溅射功率对CIGS薄膜微观形貌的影响37-38
• 3.2.2 溅射功率对CIGS薄膜晶体结构的影响38-40
• 3.3 溅射气压对CIGS薄膜的影响40-45
• 3.3.1 气压对CIGS薄膜形貌和结构的影响40-43
• 3.3.2 气压对CIGS薄膜成份的影响43-44
• 3.3.3 气压对CIGS薄膜电学特性的影响44-45
• 3.4 关于CIGS薄膜晶体生长现象的探讨45-47
• 3.5 本章小结47-49
• 第四章 缓冲层CdS及窗口层ZnO的实验结果与讨论49-64
• 4.1 缓冲层CdS薄膜实验结果分析49-54
• 4.1.1 成膜分析49-51
• 4.1.2 退火对CdS薄膜的影响51-54
• 4.2 窗口层i-ZnO和ZnO：Al薄膜实验结果分析54-63
• 4.2.1 i-ZnO成膜分析54-55
• 4.2.2 溅射功率对ZnO：Al薄膜的影响55-59
• 4.2.3 衬底温度对ZnO：Al薄膜的影响59-63
• 4.3 本章小结63-64
• 第五章 CIGS薄膜太阳能电池的制备及性能研究64-69
• 5.1 引言64
• 5.2 CIGS薄膜太阳能电池的制备64-66
• 5.2.1 Mo背接触层的制备64-65
• 5.2.2 CIGS吸收层的制备65
• 5.2.3 CdS缓冲层的制备65
• 5.2.4 ZnO窗口层的制备65
• 5.2.5 上电极的制备65-66
• 5.3 CIGS太阳能电池实验结果与讨论66-68
• 5.3.1 吸收层工艺对CIGS器件的影响66-67
• 5.3.2 CdS缓冲层对CIGS器件的影响67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-78
• 硕士期间取得的研究成果78

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