铜铟镓硒薄膜太阳能电池吸收层的制备与性质研究

【摘要】：铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池因具有寿命长、效率高、成本低的优点而得到了广泛的重视。目前利用共蒸发法制备的CIGS薄膜太阳能电池的最高转换效率已经超过20%。但是,共蒸发法存在设备复杂、控温困难、膜厚不均匀等问题,不利于制备低成本、大面积的太阳能电池组件,而后硒化法和溅射法可以很好的解决这些问题。 本文重点研究了CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备方法,并对制备的CIGS薄膜的组分、形貌等特性进行研究,分析了生长方法和条件对CIGS薄膜以及CIGS太阳能电池性能的影响,并对比研究了不同方法的优缺点。在实验探究的基础上,本文中还利用第一性原理的方法从理论计算模拟的角度对CIGS的分子结构、形成能、电学和光学等特性做了研究。 本论文的主要研究内容及成果如下： 1.研究了溅射后硒化法制备CIGS薄膜过程中预制层生长方式和硒化温度对薄膜特性的影响。利用扫描电镜等手段发现通过改进铟层沉积工艺,可以改善预制层薄膜的表面形貌。同时还观察到了硒化过程中薄膜形貌和成分的变化,发现最佳硒化条件为硒化温度500。C,时间120分钟。利用上述工艺方法制备的CIGS薄膜金属预制层硒化完全,形成的CIGS晶粒沿(112)取向生长,薄膜结构致密均匀,表面平整。 2.研究了溅射CIGS靶法制备CIGS薄膜的条件和特性。发现不同的衬底温度对制备的薄膜有非常明显的影响。温度较低时制备的薄膜结晶较差,晶粒尺寸小,取向杂乱；衬底温度过高时薄膜中又会出现相分离的现象,成分发生改变。研究发现最佳的衬底温度应为500℃到525℃。 3.研究了蒸发硒化亚铜、硒化铟和硒化镓混合粉末法制备CIGS薄膜。比较了玻璃衬底、镀钼玻璃衬底和铝箔衬底对薄膜形貌和结晶取向的影响。发现了在不同衬底上、不同衬底温度下制备的薄膜的形貌和结晶状况的差异和规律。研究了退火对薄膜晶粒尺寸和电学特性的影响。并通过分析此方法制备的太阳能电池的IV特性,总结出蒸发硒化物法生长的吸收层所制备的太阳能电池的优势。 4.利用第一性原理研究了Ga含量对CIGS薄膜特性的影响。证实了CIGS带隙会随Ga含量的增加而变大,并解释了带隙展宽的原因。研究了CIGS形成能随Ga含量的变化。发现并解释了CIGS光吸收谱中的吸收峰随着Ga含量的增加而蓝移和跨带吸收现象。 【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 目录4-8
• 中文摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符号说明12-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1. 引言13-14
• 1.2. 太阳能电池的原理14-16
• 1.3. CIGS太阳能电池的结构和发展现状16-18
• 1.4. 本论文的选题背景和研究内容18-19
• 第二章 实验方法与实验设备介绍19-24
• 2.1. 实验方法介绍19-20
• 2.1.1. 溅射法19
• 2.1.2. 蒸发法19-20
• 2.2. 实验设备介绍20-24
• 2.2.1. 射频磁控溅射20-22
• 2.2.2. 热蒸发镀膜设备22
• 2.2.3. 热退火设备22-24
• 第三章 CIGS的制备与特性研究24-47
• 3.1. 后硒化法制备CIGS薄膜及其特性研究24-32
• 3.1.1. 引言24-25
• 3.1.2. 实验内容25-26
• 3.1.3. 实验结果分析26-31
• 3.1.4. 小结31-32
• 3.2. 溅射法制备CIGS薄膜及其特性研究32-40
• 3.2.1. 引言32
• 3.2.2. 实验内容32-33
• 3.2.3. 实验结果分析33-39
• 3.2.4. 小结39-40
• 3.3. 蒸发硒化物法制备CIGS薄膜及其特性研究40-47
• 3.3.1. 引言40
• 3.3.2. 实验内容40-41
• 3.3.3. 实验结果分析41-45
• 3.3.4. 小结45-47
• 第四章 利用第一性原理研究Ga含量对CIGS特性的影响47-61
• 4.1. 引言47-48
• 4.2. 实验方法和内容48-50
• 4.3. 实验结果分析50-60
• 4.3.1. Ga含量对CIGS晶格常数的影响50-51
• 4.3.2. Ga含量对CIGS系统总能量及形成能的影响51-52
• 4.3.3. Ga含量对CIGS能带的影响52-55
• 4.3.4. Ga含量对CIGS态密度的影响55-59
• 4.3.5. Ga含量对CIGS光吸收谱的影响59-60
• 4.4. 小结60-61
• 第五章 结论与展望61-64
• 5.1. 论文的主要结论61-62
• 5.1.1. 后硒化法制备CIGS薄膜的研究结论61
• 5.1.2. 溅射法制备CIGS薄膜的研究结论61-62
• 5.1.3. 蒸发硒化物法制备CIGS薄膜的研究结论62
• 5.1.4. 利用第一性原理对CIGS的研究的结论62
• 5.2. 对CIGS薄膜制备方法的总结及展望62-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文68-69
• 学位论文评阅及答辩情况表69

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