銅銦鎵硒薄膜太陽能電池關(guān)鍵材料與原理型器件制備與研究

【摘要】： 銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se_2,簡(jiǎn)寫GIGS)薄膜太陽能電池以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),而引起國(guó)際光伏界的廣泛關(guān)注。本文主要從高效、低成本以及環(huán)境友好等角度出發(fā),研究電池器件中光吸收層和緩沖層等薄膜材料的真空和非真空制備工藝,以期為CIGS薄膜電池的大面積商業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。論文主要分為三部分,具體內(nèi)容如下: 第一部分主要包括高質(zhì)量CIS和CIGS薄膜的真空濺射后硒化工藝探索及其反應(yīng)機(jī)理研究。首先,是CIS薄膜的射頻濺射后硒化法制備。采用Cu靶和In靶依次濺射CuIn金屬預(yù)置層,以Se粉取代劇毒H_2Se硒化,制備出了接近化學(xué)計(jì)量比的富銅CIS薄膜,對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和電學(xué)性能進(jìn)行了表征,得到了最佳的硒化溫度500℃,并推斷出CuSe與InSe在高溫下化合生成CIS的反應(yīng)路線。然后,是CIGS薄膜及器件的射頻濺射后硒化法制備。根據(jù)高效電池的梯度帶隙“三明治”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用CuInGa合金靶和In靶交替濺射CuInGa金屬預(yù)置層,并利用多步分層式硒化法,來降低硒化過程中Ga的偏聚和優(yōu)化薄膜組分,制備出了高質(zhì)量的CIGS薄膜及效率器件,得到4.67%的光電轉(zhuǎn)換效率。最后,采用脈沖激光沉積(PLD)后硒化法制備CIS薄膜。利用PLD腔的較高真空度,對(duì)金屬預(yù)置層進(jìn)行低溫合金化,硒化后制備出了符合化學(xué)計(jì)量比的CIS薄膜,吸收系數(shù)達(dá)到了10~5cm~(-1)量級(jí),光學(xué)帶隙為0.98 eV,并證明了低溫合金化工藝有利于CIS單相薄膜的形成。 第二部分為CIS薄膜的低成本非真空法制備。首先,采用操作簡(jiǎn)單的電沉積工藝制備CIS薄膜。以導(dǎo)電玻璃(ITO)為襯底,采用恒電位共沉積的方法成功制備出了符合化學(xué)計(jì)量比的CIS薄膜,考察了沉積電位、溶液PH值、濃度配比、絡(luò)合物以及退火工藝等因素的影響,并得出了電沉積CIS薄膜的最佳工藝:配比為Cu:In:Se=1:5:2,絡(luò)合劑檸檬酸鈉的濃度為0.1M/L,在PH值為1.7,電壓為1.6V的條件下制備的CIS薄膜較好,退火后薄膜結(jié)晶性能大幅度提高。其次,采用同樣合成簡(jiǎn)單、成本低廉的非真空旋涂工藝制備CIS薄膜及器件。分別以Cu-In和Cu-In-Se兩種可溶性鹽為前驅(qū)物,采用簡(jiǎn)單易操作的旋涂法制備CIS薄膜,探索出了單相性較好的CIS薄膜的非真空旋涂制備工藝,并研究了不同前驅(qū)物漿料對(duì)薄膜成相質(zhì)量及性能的影響規(guī)律,結(jié)果說明Cu-In-Se前軀體更能制備出光滑平整的薄膜,并采用非真空法制備出了CIS效率電池,光電轉(zhuǎn)換效率為0.97%。 最后一部分為無毒環(huán)保型緩沖層材料ZnS薄膜的制備。首先,主要是采用操作簡(jiǎn)單的濕法化學(xué)浴和電沉積工藝制備ZnS薄膜,探索出了電沉積和化學(xué)浴法制備ZnS薄膜的最佳工藝:PH=3,U=0.1V,t=30min;T=80℃,t=15min,考察了退火工藝的影響,并通過各種表征手段對(duì)兩種工藝進(jìn)行了比較,對(duì)比得出采用電化學(xué)法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)CBD法的結(jié)論。其次,則主要想從干法的PLD工藝入手,開發(fā)全干法的CIGS制程工藝。在不同的沉積溫度下制備出了高質(zhì)量的ZnS薄膜,對(duì)薄膜進(jìn)行了表征,對(duì)比濕法沉積的CdS工藝,具有成本低、無毒環(huán)保和更強(qiáng)短波段光吸收的優(yōu)勢(shì),并有望在CIGS薄膜電池緩沖層材料的全干法制程工藝中得到應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】：銅銦硒／銅銦鎵硒 射頻濺射 脈沖激光沉積 電沉積非真空旋涂 化學(xué)浴
【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】：2008
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-31
• 1.1 太陽能電池概述11-16
• 1.1.1 太陽能電池的發(fā)展背景及意義11-12
• 1.1.2 太剛能電池的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀12-13
• 1.1.3 太陽能電池的分類及發(fā)展方向13-14
• 1.1.4 薄膜太陽能電池簡(jiǎn)介14-16
• 1.2 CIGS薄膜太陽能電池簡(jiǎn)介16-25
• 1.2.1 CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.2 CIGS電池的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)18-19
• 1.2.3 CIGS薄膜的晶體結(jié)構(gòu)及物性19-24
• 1.2.4 存在問題及研究方向24-25
• 1.3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)25-27
• 1.3.1 研究的主要內(nèi)容25-27
• 1.3.2 論文的結(jié)構(gòu)27
• 參考文獻(xiàn)27-31
• 第2章 太陽能電池的工作原理及CIGS薄膜的制備表征方法31-48
• 2.1 太陽能電池的工作原理及基本特性31-34
• 2.1.1 太陽能電池的工作原理31-32
• 2.1.2 太陽能電池的基本特性32-34
• 2.2 CIGS薄膜電池異質(zhì)結(jié)物理特性34-39
• 2.2.1 CIGS電池的異質(zhì)結(jié)機(jī)理34-35
• 2.2.2 CIGS電池的異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)35-38
• 2.2.3 OVC對(duì)異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的影響38
• 2.2.4 CIGS電池材料的基本要求38-39
• 2.3 CIGS薄膜的制備方法39-46
• 2.3.1 襯底的清洗及背電極的制備39-40
• 2.3.2 真空物理法制備CIS/CIGS薄膜40-44
• 2.3.3 非真空化學(xué)法制備CIS薄膜44-46
• 2.4 CIGS薄膜材料的表征方法46-47
• 參考文獻(xiàn)47-48
• 第3章 真空濺射后硒化法制備CIS/CIGS薄膜48-81
• 3.1 襯底材料的選擇及背電極的制備48-51
• 3.1.1 襯底材料的選擇48-49
• 3.1.2 Mo背電極的制備49-51
• 3.2 射頻濺射后硒化法制備CIS薄膜51-61
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)的基本原理及設(shè)計(jì)51-53
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析53-61
• 3.3 射頻濺射后硒化法制備CIGS薄膜61-73
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)的基本原理及設(shè)計(jì)61-63
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析63-73
• 3.4 PLD濺射后硒化法制備CIS薄膜73-78
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)的基本原理及設(shè)計(jì)73
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論73-78
• 3.5 本章小結(jié)78-79
• 參考文獻(xiàn)79-81
• 第4章 非真空化學(xué)法制備CIS薄膜81-94
• 4.1 電沉積法制備CIS薄膜81-88
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)的基本原理及設(shè)計(jì)81-82
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析82-88
• 4.2 非真空旋涂法制備CIS薄膜88-91
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)88-89
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論89-91
• 4.3 本章小結(jié)91-92
• 參考文獻(xiàn)92-94
• 第5章 環(huán)保型緩沖層材料ZnS薄膜的制備94-117
• 5.1 實(shí)驗(yàn)的意義及主要內(nèi)容94-97
• 5.1.1 開發(fā)新型緩沖層材料的意義94
• 5.1.2 ZnS材料簡(jiǎn)介94-96
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容96-97
• 5.2 濕法制備緩沖層材料ZnS薄膜97-109
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)的原理及設(shè)計(jì)97-99
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)流程99-100
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果及分析100-109
• 5.3 PLD干法制備緩沖層材料ZnS薄膜109-115
• 5.3.1 PLD干法制備ZnS薄膜的簡(jiǎn)介109-110
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)過程110
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論110-115
• 5.4 本章小結(jié)115-116
• 參考文獻(xiàn)116-117
• 第6章 CIS/CIGS原理型電池的制備及性能研究117-124
• 6.1 引言117
• 6.2 真空濺射后硒化法制備CIGS原理型器件117-119
• 6.2.1 化學(xué)浴沉積CdS118
• 6.2.2 PLD制備窗口層118
• 6.2.3 頂電極的制備118
• 6.2.4 電池效率測(cè)量118-119
• 6.3 非真空旋涂法制備CIS原理型器件119-120
• 6.4 結(jié)論120-122
• 6.5 存在問題及展望122-124
• 致謝124-125
• 博士期間發(fā)表論文目錄125

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