太阳能电池CuInS_2薄膜和ZnS薄膜的制备与性能研究

【摘要】： CuInS2(CIS)作为一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型无机三元半导体化合物,是直接带隙的半导体,吸收系数较大,大约为104-105cm-1,其光学禁带宽度为1.50 eV左右,非常接近太阳能电池材料的最佳禁带宽度1.45 eV。与CuInSe2、CuInGaSe2、CdTe等化合物薄膜太阳能电池材料相比,CuInS2不含任何有毒的成分,是一种非常具有发展前途的太阳能电池材料。 目前,CIGS基薄膜太阳能电池的制备多采用CdS薄膜作为缓冲层,但CdS的薄膜禁带宽度只有2.4 eV,对电池吸收层的短波响应有一定的影响,而且CdS中的Cd是有毒重金属,与之相应的安全措施也增大了工业化成本,CdS的使用也不利于环境保护。因此,研究和开发无镉CIS/CIGS太阳电池已成为全球研究此类电池的热点。ZnS是一种n型Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体化合物,ZnS薄膜因其对环境友好,宽光学带隙(3.5-3.8 eV),制备成本低廉,而成为替代CdS薄膜缓冲层的优选材料之一。 论文围绕CuInS2薄膜太阳能电池材料进行了相关研究。采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备了Mo背电极；采用了磁控溅射沉积铜铟合金预置膜,再进行N2保护下固态硫化热处理的方法制备铜铟硫太阳能电池吸收层材料；采用化学浴方法制备了替换CdS缓冲层的ZnS薄膜材料。深入分析了薄膜的制备工艺对薄膜的光学性能、物相结构、电学性能、表面形貌等的影响和相关机理。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、紫外可见光谱(UV-vis)等测试手段对样品的相关性能进行了测试和表征。主要研究结果如下： (1)采用磁控溅射法制备的Mo背电极与玻璃基片附着良好,电阻较低(3.2Ω/cm)。 (2)所制备的CuInS2薄膜表面平整、结构致密。实验结果表明,硫化热处理温度对CuInS2的晶相形成具有重要影响,500℃开始出现CuInS2相,550℃形成高质量结晶,并且CuInS2薄膜呈(103)面择优取向生长。Tauc法得到的CuInS2薄膜光学带隙随着热处理温度的上升而逐渐减小。在550℃硫化热处理6h后CuInS2薄膜的XRD图谱中出现了对应于黄铜矿结构的(103)、(220)、(312)CuInS2晶体的衍射峰,SEM图片显示晶体颗粒为片状,尺寸在1μm,光学带隙为1.5 eV,更适合作为CuInS2吸收层。 (3)化学浴法制备的ZnS薄膜为非晶薄膜,在沉积温度为80℃、沉积时间1 h的条件下所制备薄膜的厚度为60.7 nm,薄膜透过率超过85%,光学带隙在3.8-3.9 eV范围之间变化。化学浴法制备的ZnS薄膜适合CIS/CIGS太阳电池中替换CdS缓冲层材料。 【关键词】：磁控溅射 化学浴 CuInS_2薄膜 ZnS薄膜
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-27
• 1.1 研究背景10
• 1.2 太阳能电池的工作原理10-11
• 1.3 太阳能电池的种类11-17
• 1.3.1 硅系太阳能电池12-14
• 1.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池14-15
• 1.3.3 染料敏化薄膜电池15-17
• 1.4 CuInS_2化合物性质17-19
• 1.4.1 晶体结构17-18
• 1.4.2 光学性能18
• 1.4.3 电学性能18-19
• 1.5 ZnS性质19-20
• 1.5.1 ZnS物相结构19-20
• 1.5.2 ZnS光学特性20
• 1.6 薄膜制备方法简介20-26
• 1.6.1 化学浴法20
• 1.6.2 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)20-21
• 1.6.3 蒸镀法21
• 1.6.4 电沉积法21-22
• 1.6.5 溅射法22-23
• 1.6.6 喷涂热解法(Spray Pyrolysis)23-24
• 1.6.7 分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy)24
• 1.6.8 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition)24-25
• 1.6.9 溶剂热法(Solvothermal Method)25
• 1.6.10 连续离子层反应法25-26
• 1.7 课题目的、意义及内容26-27
• 2 实验方法27-37
• 2.1 实验方案27
• 2.2 实验设备27-29
• 2.3 实验药品29
• 2.4 样品的制备29-34
• 2.4.1 基片处理30
• 2.4.2 Mo背电极的磁控溅射法制备30-32
• 2.4.3 CuInS_2薄膜的制备32-33
• 2.4.4 ZnS薄膜的制备33-34
• 2.5 样品的分析测试34-37
• 2.5.1 紫外可见光谱(UV-vis spectrum)34-35
• 2.5.2 X射线衍射(XRD)35
• 2.5.3 薄膜表面形貌分析35-36
• 2.5.4 高阻测试仪36
• 2.5.5 NKD膜厚拟合36-37
• 3 Mo背电极的制备37-41
• 3.1 实验部分37-38
• 3.2 实验结果与分析38-40
• 3.3 实验小结40-41
• 4 CuInS_2吸收层的制备41-55
• 4.1 实验部分41-42
• 4.1.1 Cu-In金属预置层的制备41
• 4.1.2 Cu-In金属预置层的硫化41-42
• 4.2 实验结果与分析42-53
• 4.2.1 溅射的Cu-In金属预置膜的表面形貌42-43
• 4.2.2 热处理对CuInS_2薄膜的物相结构影响43-46
• 4.2.3 热处理对CuInS_2薄膜的光学性能影响46-49
• 4.2.4 热处理对CuInS_2薄膜的表面形貌影响49-52
• 4.2.5 CuInS_2薄膜电学性能52-53
• 4.3 实验小结53-55
• 5 ZnS缓冲层的制备55-72
• 5.1 实验部分55-56
• 5.2 实验结果与分析56-70
• 5.2.1 氨水对ZnS薄膜的影响56-58
• 5.2.2 硫脲对ZnS薄膜的影响58-59
• 5.2.3 水合肼对ZnS薄膜的影响59-61
• 5.2.4 酒石酸对ZnS薄膜的影响61-62
• 5.2.5 沉积时间对ZnS薄膜的影响62-64
• 5.2.6 沉积温度对ZnS薄膜的影响64-65
• 5.2.7 多次沉积对薄膜性能影响65-67
• 5.2.8 热处理对ZnS薄膜光学性能的影响67-68
• 5.2.9 ZnS薄膜物相结构分析68-70
• 5.3 实验小结70-72
• 6 结论72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78-79
• 研究生期间发表的论文79

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