Cu_2ZnSnSe_4薄膜太陽(yáng)能電池的磁控濺射制備工藝和性能研究

【摘要】：近年來(lái)全球氣候的異常、環(huán)境污染以及霧霾等惡劣的環(huán)境現(xiàn)象都與大量消耗化石能源相關(guān)。光伏發(fā)電作為一種可持續(xù)發(fā)展的綠色能源而在近幾十年被給予了相當(dāng)?shù)闹匾?并且取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是光伏發(fā)電目前仍然面臨著光伏器件的轉(zhuǎn)換效率和成本之間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系這一巨大挑戰(zhàn)。相比于傳統(tǒng)硅基光伏器件,薄膜太陽(yáng)能電池具有原料利用率高、制造工藝簡(jiǎn)單以及理論轉(zhuǎn)換效率優(yōu)秀等更為突出的特點(diǎn)。在以銅銦鎵硒(CIGS)化合物半導(dǎo)體為吸收層的薄膜太陽(yáng)能電池生產(chǎn)中,銦元素由于儲(chǔ)量稀少并且多數(shù)用于平板行業(yè)而被限制了其工業(yè)化進(jìn)程。因此采用鋅和錫作為銦的替代材料,進(jìn)而發(fā)展出了以銅鋅錫硒(CZTSe)為吸收層的薄膜太陽(yáng)能電池,以期望從原料選擇上降低薄膜光伏器件的成本。雖然CZTSe薄膜太陽(yáng)能電池在近些年取得了較為突出的成果,但是其中仍舊存在著例如CZTSe四元組分難以精確控制、易生成雜相以及本征缺陷較多等影響電池器件轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文采用磁控濺射制備金屬預(yù)制層后硒化這種被普遍運(yùn)用于薄膜半導(dǎo)體工業(yè)制備的技術(shù)方法,對(duì)CZTSe薄膜的制備工藝及其結(jié)構(gòu)形貌、光電特性和電池性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究,獲得如下主要研究結(jié)果：系統(tǒng)研究了Cu/Zn/Sn金屬預(yù)制層濺射順序?qū)ZTSe薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分以及電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)預(yù)制層濺射順序的不同對(duì)薄膜的性能有顯著影響,采用Cu/Zn+Sn的疊層順序,并且Cu:(Zn+Sn)和Zn:Sn比例分別控制在0.8-1.0和1.1-1.3范圍內(nèi)制備的CZTSe薄膜,其結(jié)構(gòu)形貌、光學(xué)帶隙、載流子濃度、空穴遷移率等性能相對(duì)較好。用其制作的太陽(yáng)能電池器件效率也相對(duì)較高,達(dá)到2.12%。針對(duì)CZTSe薄膜在硒化過(guò)程中容易產(chǎn)生雜相的問(wèn)題,論文深入研究了薄膜的硒化反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)改變硒化退火溫度,確定了SnSe、SnSe、Cu2-xSe、Cu2Se以及Cu2SnSe3等雜相的易生成溫區(qū)。為有效抑制雜相的生成,探索優(yōu)化了快速退火方法,使得CZTSe薄膜的單相性和結(jié)晶質(zhì)量得到顯著改善。X射線衍射圖譜中無(wú)雜相的特征峰,CZTSe特征峰的半高寬變窄。電池器件的效率得到明顯提升,達(dá)到了3.43%。為了進(jìn)一步提高CZTSe薄膜的結(jié)晶質(zhì)量,研究了鈉(Na)元素在CZTSe多晶薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的促進(jìn)作用。通過(guò)在金屬預(yù)制層與Mo電極之間沉積適量的NaF,經(jīng)硒化退火后得到的CZTSe薄膜結(jié)晶質(zhì)量明顯高于不加NaF的樣品,晶粒尺寸由不摻NaF時(shí)的500nm左右增大到1μ m以上。同時(shí)薄膜的光電性能也得到改善,相應(yīng)的電池效率增加到4.33%。高溫硒化過(guò)程通常會(huì)在CZTSe和Mo背電極之間產(chǎn)生高電阻的MoSe2層,從而增加電池器件的串聯(lián)電阻,降低電池器件的填充因子,影響電池效率。論文通過(guò)在Mo表面旋涂適當(dāng)厚度的銅鋅錫硫(CZTS)納米顆粒阻擋層的方法減少Se元素在硒化退火過(guò)程中的擴(kuò)散,從而有效阻止MoSe2的生成,降低電池器件的串聯(lián)電阻,使得電池效率增加到5.05%。由于CZTSe薄膜為四元化合物,在相圖中的成相區(qū)域較小,從而導(dǎo)致了其制備條件較為苛刻。因此本論文還初步研究了三元化合物銅錫硒(CTSe)薄膜的制備工藝,采用磁控濺射Cu/Sn金屬預(yù)制層后快速硒化退火的方法制備出高質(zhì)量的CTSe薄膜,系統(tǒng)地研究了薄膜的結(jié)構(gòu)形貌及其光電性能,為進(jìn)一步研發(fā)三元化合物基太陽(yáng)能電池提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：銅鋅錫硒 磁控濺射 快速退火過(guò)程 堿金屬摻雜 MoSe_2阻擋層
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-35
• 1.1 引言11-12
• 1.2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介12-21
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池的發(fā)展12-14
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池工作原理14-15
• 1.2.3 太陽(yáng)能電池電流-電壓特性15-17
• 1.2.4 太陽(yáng)能電池的分類17-21
• 1.3 銅基薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展情況21-28
• 1.3.1 銅鋅錫硒薄膜太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介22-26
• 1.3.2 太陽(yáng)能電池效率分析26-28
• 1.4 本論文研究課題的提出及研究?jī)?nèi)容28-30
• 參考文獻(xiàn)30-35
• 第2章 CZTSe薄膜制備及其表征方法35-61
• 2.1 引言35-36
• 2.2 CZTS(e)吸收層的非真空法制備36-40
• 2.3 CZTS(e)吸收層的真空法制備40-43
• 2.4 本論文中采用的材料制備方法43-49
• 2.4.1 磁控濺射法制備Cu/Zn/Sn金屬預(yù)制層43-45
• 2.4.2 硒化退火制備CZTSe薄膜45-46
• 2.4.3 快速退火過(guò)程(RTP)制備CZTSe薄膜46-47
• 2.4.4 NaF層的制備方法47
• 2.4.5 CZTS納米顆粒阻擋層的制備方法47-48
• 2.4.6 CZTSe電池器件制備方法48-49
• 2.5 CZTSe薄膜表征方法49-57
• 參考文獻(xiàn)57-61
• 第3章 CZTSe薄膜的制備工藝及其性能研究61-109
• 3.1 引言61
• 3.2 疊層順序?qū)ZTSe薄膜性能影響的研究61-73
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法61-63
• 3.2.2 結(jié)果與討論63-72
• 3.2.3 小結(jié)72-73
• 3.3 硒化退火過(guò)程對(duì)CZTSe薄膜性能影響的研究73-84
• 3.3.1 前言73
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)方法73-74
• 3.3.3 結(jié)果與討論74-84
• 3.3.3.1 CZTSe薄膜硒化反應(yīng)歷程研究74-78
• 3.3.3.2 RTP對(duì)CZTSe薄膜性能影響的研究78-84
• 3.3.4 小結(jié)84
• 3.4 NaF摻入對(duì)CZTSe薄膜性能影響的研究84-97
• 3.4.1 前言84-85
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)方法85-86
• 3.4.3 結(jié)果與討論86-94
• 3.4.3.1 不同襯底對(duì)CZTSe薄膜形貌、結(jié)構(gòu)的影響86-87
• 3.4.3.2 不同NaF摻雜量對(duì)CZTSe薄膜性能影響87-94
• 3.4.4 RTP與NaF摻雜94-95
• 3.4.5 小結(jié)95-97
• 3.5 納米顆粒阻擋層對(duì)CZTSe/Mo接觸電阻影響的研究97-103
• 3.5.1 前言97-98
• 3.5.2 實(shí)驗(yàn)方法98
• 3.5.3 結(jié)果與討論98-103
• 3.5.4 小結(jié)103
• 3.6 改進(jìn)方法的綜合應(yīng)用103-105
• 3.7 本章小結(jié)105-107
• 參考文獻(xiàn)107-109
• 第4章 CTSe薄膜的制備及其性能研究109-119
• 4.1 前言109
• 4.2 快速退火中溫度對(duì)CTSe薄膜性能影響109-116
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)方法109-110
• 4.2.2 結(jié)果與討論110-116
• 4.3 本章小結(jié)116-117
• 參考文獻(xiàn)117-119
• 第5章 論文工作總結(jié)與展望119-122
• 5.1 論文工作總結(jié)119-120
• 5.2 論文創(chuàng)新性120-121
• 5.3 論文展望121-122
• 致謝122-123
• 在讀期間學(xué)術(shù)論文發(fā)表情況123

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