铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池研究

【摘要】： 铜铟镓硒Cu(InGa)Se_2(CIGS)薄膜太阳能电池,具有转换效率高、成本低、稳定性好等特点,是最有发展前景的薄膜太阳能电池之一。到目前为止,基于三步共蒸发工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已达19.99%,是所有薄膜太阳能电池中最高的。尽管这种制备方法有很多优点,制备成分均匀的大面积电池却具有难以克服的困难,不能满足大规模产业化的要求。在CIGS薄膜太阳能电池产业化进程中,克服其层间的附着力差,制备符合化学计量比具有黄铜矿结构的多晶薄膜吸收层是必须解决的两个最重要的工艺技术。 本论文主要研究一种工艺简单、可控、适合产业化需要的技术工艺,即溅射制备合金预制膜后硒化的制备方法。研究采用的溅射系统,是本中心自行设计研制的三靶共溅设备,阴极大小为3英寸,衬底基座可以旋转,以保证制备薄膜的均匀。 首先,在碱石灰玻璃衬底上制备厚度约1微米的钼电极,在溅射过程中通过改变工作气压,使Mo电极具有类似层状结构,消除了内应力的影响。通过扫描电镜分析,薄膜表面具有鱼鳞状结构,从而增加了Mo电极和CIGS吸收层之间的接触面积。Mo电极和玻璃衬底之间,及其和CIGS吸收层之间的附着力得到显著提高。然后,在沉积有Mo电极的玻璃衬底上,通过共溅射的方法制备约700纳米厚度的Cu(InGa)预制层薄膜,靶材采用CuIn和CuGa合金靶。硒化采用低温和高温过程依次进行的2步方法,采用固态硒源,硒化室是一个半密封的石墨盒。通过在高温区保温30分钟,制备出了性能优异的CIGS吸收层薄膜,具有(112)晶面择优取向,显示明显的黄铜矿单一结构。薄膜表面平整,晶粒大小均匀、排列紧密,晶粒大小达到3到5微米。用化学水浴法,制备厚度约70纳米的CdS过渡层。分别采用醋酸镉和硫尿作为镉源和硫源。研究了ZnS薄膜的制备工艺,对无镉电池的制备做了初步探索。最后用射频磁控溅射的方法,研究了常温下制备透明导电材料IT0和ZnO的制备工艺,研究了溅射功率和溅射气压对薄膜性能的影响。所制备的透明导电薄膜在可见光谱范围内,透过率到达80%到90%,方块电阻达到15Ω/□以下。在CIGS薄膜太阳能中,作为上电极材料,具有广泛的应用前景。 通过大量的实验,优化了背电极Mo、吸收层CIGS、过渡层CdS(ZnS)、本征氧化锌i-ZnO和搀杂氧化锌n-ZnO(或者ITO)的制备工艺。最后,制备出了结构为Glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/n-ZnO/A1的CIGS电池器件。对器件的性能做了测试分析,在没有减反射层的情况下,转化效率达到7.8%。该研究采用的CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺简单、过程容易控制、设备和材料费用低,没有采用剧毒的气源,适合大规模产业化的要求,为以后进一步的研究开发做了技术储备。 【关键词】：CIGS薄膜太阳能电池 TCO 磁控溅射 合金靶 固态硒源 硒化
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstracts8-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 太阳能电池的研究背景12-13
• 1.2 太阳能电池简介13-17
• 1.3 太阳能电池的种类及特性比较17-19
• 1.4 薄膜太阳能电池的优势19-21
• 1.5 CIGS电池的发展现状21-23
• 1.6 本论文的主要工作及目的23-26
• 参考文献26-30
• 第二章 CIGS薄膜太阳能电池及其制备方法30-43
• 2.1 CIGS电池的结构30-32
• 2.2 CIGS电池制作方法比较32-35
• 2.3 磁控溅射物理知识35-37
• 2.4 主要制备设备简介37-41
• 参考文献41-43
• 第三章 CIGS吸收层制备工艺研究及结果分析43-62
• 3.1 衬底的选择及清洗43
• 3.2 Mo电极的制备及表征43-45
• 3.3 CuInSe_2的制备工艺研究45-52
• 3.4 Cu(InGa)Se_2的制备及表征52-57
• 3.5 本章小结57-58
• 参考文献58-62
• 第四章 过渡层CdS和高阻ZnO的制备62-76
• 4.1 过渡层CdS的制备62-68
• 4.2 ZnS薄膜的制备68-71
• 4.3 高阻ZnO薄膜的制备71-72
• 4.4 本章小结72-73
• 参考文献73-76
• 第五章 透明导电材料的研究76-92
• 5.1 常温下磁控溅射制备ITO薄膜的研究76-81
• 5.2 常温下磁控溅射制备ZnO薄膜的研究81-89
• 参考文献89-92
• 第六章 CIGS薄膜太阳能电池性能表征及器件的制备研究92-101
• 6.1 太阳能电池器件性能表征92-94
• 6.2 提高CIGS薄膜太阳能电池性能途径94-95
• 6.3 CIGS薄膜太阳能器件的制备研究95-98
• 6.4 结果分析及工作展望98-100
• 参考文献100-101
• 博士期间发表论文及专利101-103
• 致谢103

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