CIGSe薄膜太陽能電池緩沖層及本征ZnO層的制備及性能研究

【摘要】： Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽能電池由于光電轉(zhuǎn)化效率高、性能穩(wěn)定、制造成本低等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是最有希望的第三代太陽能電池之一。緩沖層和本征ZnO層是CIGS的重要組成部分。 本文的研究?jī)?nèi)容包括:采用化學(xué)浴(CBD)方法制備了CdS薄膜,考查了工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響;采用真空蒸發(fā)的方法制備了ZnSe薄膜,考查了工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響;采用中頻交流磁控濺射方法制備了本征ZnO薄膜,考查了制備工藝對(duì)ZnO薄膜的影響。 研究結(jié)果表明,采用以上三種方法分別可以制備表面致密,結(jié)晶良好,透過率高,可以滿足太陽能電池要求的緩沖層和本征ZnO窗口層。 采用CBD方法制備CdS薄膜過程中,考查了溶液pH值、緩沖劑濃度、沉積時(shí)間、沉積溫度和基底種類對(duì)CdS薄膜的性能的影響。發(fā)現(xiàn)溶液pH值、緩沖劑濃度和沉積溫度對(duì)薄膜特性起決定性作用。獲得了CBD方法制備CdS薄膜的優(yōu)化工藝:CdSO4(0.018M) 50ml,硫脲(0.9M) 50ml,氨水(25%) 30ml,去離子水470ml。在這種工藝參數(shù)下制備的薄膜具有立方晶體結(jié)構(gòu),表面致密,雙層膜的可見光透過率在80%以上。 采用真空蒸發(fā)制備ZnSe薄膜過程中,考查了蒸發(fā)時(shí)間,基底溫度和退火時(shí)間對(duì)薄膜特性的影響。經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和檢測(cè),獲得了制備ZnSe薄膜的優(yōu)化工藝:蒸發(fā)時(shí)間75s,基底溫度175℃,300℃條件下退火。所得薄膜具有(111)擇優(yōu)生長(zhǎng)面,表面致密,均勻,透過率高。 系統(tǒng)的研究了制備本征ZnO薄膜的工藝參數(shù),包括基底溫度、氧分壓、濺射時(shí)間和濺射電流等對(duì)薄膜性能的影響。獲得了制備ZnO薄膜的優(yōu)化工藝參數(shù):本底真空3.0×10-3Pa,基底溫度200℃,濺射氣壓1.0Pa,氧分壓2.0%,濺射電流0.5A,濺射時(shí)間10min,所得到的ZnO薄膜具有優(yōu)良的結(jié)晶特性、良好的透過率和足夠大的方塊電阻。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電池 CdS薄膜 ZnSe薄膜 ZnO薄膜
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-12
• 第1章 前言12-37
• 1.1 太陽能電池的發(fā)展背景12-13
• 1.2 太陽能電池的概念及工作原理13-14
• 1.2.1 太陽能電池的概念13
• 1.2.2 太陽能電池的工作原理13-14
• 1.3 太陽能電池的研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 我國太陽電池的研究現(xiàn)狀15
• 1.5 太陽能電池的分類15-17
• 1.5.1 硅系列太陽能電池15-16
• 1.5.2 聚合物多層修飾電極型太陽能電池16
• 1.5.3 納米晶化學(xué)太陽能電池16-17
• 1.5.4 化合物薄膜太陽能電池17
• 1.6 太陽能電池的應(yīng)用前景17-18
• 1.7 CIGSe 太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀18-20
• 1.7.1 CIGSe 的材料性能18-19
• 1.7.2 CIGSe 系薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)19-20
• 1.7.3 CIGSe 太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀20
• 1.8 CIGSe 薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)組成20-21
• 1.9 CIGSe 薄膜太陽能電池的制備工藝流程21-22
• 1.10 研究CIGSe 太陽能電池的意義22
• 1.11 緩沖層的作用22-24
• 1.11.1 CIGSe 薄膜太陽電池異質(zhì)結(jié)能帶模型22-24
• 1.11.2 CIGSe 太陽電池對(duì)緩沖層的性能要求24
• 1.12 緩沖層所用材料及制備方法24-30
• 1.12.1 CdS 緩沖層24-27
• 1.12.1.1 CdS 緩沖層的作用25
• 1.12.1.2 CdS 緩沖層的制備方法25-26
• 1.12.1.3 CBD 方法制備CdS 薄膜的優(yōu)點(diǎn)26
• 1.12.1.4 CBD 方法制備CdS 薄膜的缺點(diǎn)26
• 1.12.1.5 研究CdS 薄膜制備工藝的意義26-27
• 1.12.1.6 問題的提出27
• 1.12.2 ZnSe 緩沖層27-30
• 1.12.2.1 ZnSe 緩沖層的性能28
• 1.12.2.2 ZnSe 薄膜的制備方法28-29
• 1.12.2.3 真空蒸發(fā)制備ZnSe 的優(yōu)缺點(diǎn)29
• 1.12.2.4 問題的提出29-30
• 1.13 本征ZnO 薄膜的制備30-36
• 1.13.1 ZnO 薄膜的性能30
• 1.13.2 本征ZnO 薄膜的作用30-31
• 1.13.3 ZnO 薄膜的制備方法31-35
• 1.13.3.1 直流濺射31-33
• 1.13.3.2 射頻濺射33-34
• 1.13.3.3 磁控濺射34-35
• 1.13.4 問題提出35-36
• 1.14 主要研究?jī)?nèi)容36
• 1.15 技術(shù)路線36-37
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)儀器37-46
• 2.1 CdS 薄膜的制備37-40
• 2.1.1 化學(xué)浴沉積CdS 薄膜的原理37-38
• 2.1.2 化學(xué)浴沉積溶液的組成38
• 2.1.3 化學(xué)浴沉積的設(shè)備38-40
• 2.2 ZnSe 薄膜的制備40-42
• 2.2.1 ZnSe 薄膜制備設(shè)備40-42
• 2.2.2 制備ZnSe 薄膜所用原料42
• 2.3 本征ZnO 薄膜的制備42-43
• 2.3.1 本征ZnO 薄膜制備所用設(shè)備42-43
• 2.3.2 制備ZnO 薄膜所用靶材43
• 2.4 基底的制備43-44
• 2.4.1 玻璃基底的制備43-44
• 2.4.2 CIGSe 基底的制備44
• 2.5 主要性能測(cè)試儀器44-45
• 2.6 其它輔助設(shè)備45-46
• 第3章 CdS 薄膜的制備及性能分析46-96
• 3.1 CdSO4 體系溶液沉積CdS 薄膜及性能分析46-67
• 3.1.1 沉積條件46-47
• 3.1.1.1 沉積溶液組成46-47
• 3.1.1.2 其它條件47
• 3.1.2 溶液pH 值對(duì)薄膜特性的影響47-52
• 3.1.2.1 pH 值對(duì)薄膜表面形貌的影響47-49
• 3.1.2.2 pH 值對(duì)薄膜透過率的影響49
• 3.1.2.3 pH 值對(duì)CdS 薄膜成分的影響49-50
• 3.1.2.4 pH 值對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響50-52
• 3.1.3 緩沖劑濃度對(duì)薄膜特性的影響52-55
• 3.1.3.1 緩沖劑調(diào)節(jié)溶液pH 值的原理52-53
• 3.1.3.2 緩沖劑濃度對(duì)CdS 薄膜表面形貌的影響53-54
• 3.1.3.3 緩沖劑對(duì)薄膜可見光透過率的影響54-55
• 3.1.4 沉積時(shí)間對(duì)薄膜特性的影響55-60
• 3.1.4.1 沉積時(shí)間對(duì)薄膜表面形貌的影響55-57
• 3.1.4.2 沉積時(shí)間對(duì)薄膜厚度的影響57-58
• 3.1.4.3 沉積時(shí)間對(duì)薄膜透過率的影響58-59
• 3.1.4.4 沉積時(shí)間對(duì)CdS 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響59-60
• 3.1.4.5 沉積時(shí)間對(duì)薄膜成分的影響60
• 3.1.5 沉積溫度對(duì)CdS 薄膜特性的影響60-63
• 3.1.5.1 沉積溫度對(duì)表面形貌的影響60-62
• 3.1.5.2 沉積溫度對(duì)薄膜透過率的影響62-63
• 3.1.6 沉積基底對(duì)CdS 薄膜特性的影響63-65
• 3.1.7 加熱方式對(duì)薄膜特性的影響65-67
• 3.2 Cd(CH_3COO)_2 體系溶液沉積CdS 薄膜及性能分析67-81
• 3.2.1 溶液組成67
• 3.2.2 pH 值對(duì)薄膜特性的影響67-70
• 3.2.2.1 pH 值對(duì)表面形貌的影響68-69
• 3.2.2.2 pH 值對(duì)可見光透過率的影響69-70
• 3.2.3 沉積時(shí)間對(duì)薄膜特性的影響70-72
• 3.2.3.1 沉積時(shí)間對(duì)薄膜表面形貌的影響70-71
• 3.2.3.2 沉積時(shí)間對(duì)薄膜可見光透過率的影響71-72
• 3.2.4 沉積溫度對(duì)薄膜特性的影響72-74
• 3.2.4.1 沉積溫度對(duì)薄膜表面形貌的影響72-73
• 3.2.4.2 沉積溫度對(duì)薄膜可見光透過率的影響73-74
• 3.2.5 沉積基底對(duì)薄膜特性的影響74-76
• 3.2.6 Cd(CH_3COO)_2 溶液體系和CdSO_4 溶液體系的比較76-81
• 3.2.6.1 不同沉積溫度條件下兩種溶液體系沉積CdS 薄膜的比較76-77
• 3.2.6.2 不同沉積時(shí)間條件下兩種溶液體系沉積CdS 薄膜的比較77-79
• 3.2.6.3 不同氨水體積條件下兩溶液體系沉積CdS 薄膜的比較79-81
• 3.3 絡(luò)合劑對(duì)CdS 薄膜性質(zhì)的影響81-89
• 3.3.1 溶液組成81-82
• 3.3.2 檸檬酸溶液體系中各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)CdS 薄膜性能的影響82-89
• 3.3.2.1 pH 值對(duì)CdS 薄膜性能的影響82-86
• 3.3.2.2 沉積溫度對(duì)薄膜特性的影響86-88
• 3.3.2.3 沉積時(shí)間對(duì)薄膜特性的影響88-89
• 3.4 溶液穩(wěn)定性研究89-94
• 3.4.1 溶液的組成90
• 3.4.2 溶液靜置時(shí)間對(duì)薄膜性能的影響90-94
• 3.4.2.1 靜置時(shí)間對(duì)表面形貌的影響91-93
• 3.4.2.2 靜置時(shí)間對(duì)薄膜透過率的影響93-94
• 3.5 本章結(jié)論94-96
• 第4章 ZnSe 薄膜制備及性能研究96-121
• 4.1 ZnSe 薄膜的特性96-99
• 4.1.1 ZnSe 薄膜的本征吸收96-97
• 4.1.2 ZnSe 薄膜的結(jié)構(gòu)97-98
• 4.1.3 ZnSe 薄膜的表面形貌98-99
• 4.2 工藝參數(shù)對(duì)ZnSe 薄膜性能的影響99-117
• 4.2.1 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)ZnSe 薄膜性能的影響100-107
• 4.2.1.1 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)薄膜表面形貌的影響100-102
• 4.2.1.2 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)薄膜表面粗糙度的影響102-104
• 4.2.1.3 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響104-105
• 4.2.1.4 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)薄膜厚度的影響105
• 4.2.1.5 蒸發(fā)時(shí)間對(duì)薄膜光透過率的影響105-107
• 4.2.2 基底溫度對(duì)薄膜性能的影響107-112
• 4.2.2.1 基底溫度對(duì)表面形貌的影響107-108
• 4.2.2.2 基底溫度對(duì)薄膜表面粗糙度的影響108-110
• 4.2.2.3 基底溫度對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響110
• 4.2.2.4 基底溫度對(duì)薄膜光透過率的影響110-112
• 4.2.2.5 基底溫度對(duì)薄膜沉積速率的影響112
• 4.2.3 退火溫度對(duì)薄膜性能的影響112-117
• 4.2.3.1 退火條件對(duì)薄膜表面形貌的影響113-114
• 4.2.3.2 退火條件對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響114-115
• 4.2.3.3 退火條件對(duì)薄膜光透過率的影響115-117
• 4.3 ZnSe 薄膜制備工藝的優(yōu)化117-119
• 4.3.1 薄膜表面形貌分析117-118
• 4.3.2 薄膜晶體結(jié)構(gòu)分析118-119
• 4.3.3 薄膜透過率及厚度分析119
• 4.4 本章結(jié)論119-121
• 第5章 本征ZnO 薄膜的制備與性能研究121-137
• 5.1 基底溫度對(duì)薄膜特性的影響122-125
• 5.1.1 基底溫度對(duì)表面形貌的影響122-123
• 5.1.2 基底溫度對(duì)薄膜透過率的影響123-124
• 5.1.3 基底溫度對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響124-125
• 5.1.4 基底溫度對(duì)ZnO 薄膜沉積速率的影響125
• 5.2 濺射電流對(duì)薄膜特性的影響125-129
• 5.2.1 濺射電流對(duì)薄膜表面形貌的影響126-127
• 5.2.2 濺射電流對(duì)薄膜透過率的影響127
• 5.2.3 濺射電流對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響127-128
• 5.2.4 濺射電流對(duì)薄膜沉積速率的影響128-129
• 5.3 氧分壓對(duì)薄膜特性的影響129-132
• 5.3.1 氧分壓對(duì)ZnO 表面形貌的影響129-130
• 5.3.2 氧分壓對(duì)薄膜透過率的影響130
• 5.3.3 氧分壓對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響130-132
• 5.3.4 氧分壓對(duì)沉積速率的影響132
• 5.4 濺射時(shí)間對(duì)薄膜特性的影響132-135
• 5.4.1 濺射時(shí)間對(duì)薄膜表面形貌的影響132-133
• 5.4.2 濺射時(shí)間對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響133-134
• 5.4.3 濺射時(shí)間對(duì)透過率的影響134-135
• 5.4.4 濺射時(shí)間對(duì)薄膜厚度的影響135
• 5.5 本章結(jié)論135-137
• 第6章 結(jié)論137-139
• 參考文獻(xiàn)139-143
• 致謝143-144
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果144

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