銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池研究

【摘要】： 銅銦鎵硒Cu(InGa)Se_2(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池,具有轉(zhuǎn)換效率高、成本低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),是最有發(fā)展前景的薄膜太陽(yáng)能電池之一。到目前為止,基于三步共蒸發(fā)工藝制備的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的效率已達(dá)19.99%,是所有薄膜太陽(yáng)能電池中最高的。盡管這種制備方法有很多優(yōu)點(diǎn),制備成分均勻的大面積電池卻具有難以克服的困難,不能滿足大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的要求。在CIGS薄膜太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中,克服其層間的附著力差,制備符合化學(xué)計(jì)量比具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的多晶薄膜吸收層是必須解決的兩個(gè)最重要的工藝技術(shù)。 本論文主要研究一種工藝簡(jiǎn)單、可控、適合產(chǎn)業(yè)化需要的技術(shù)工藝,即濺射制備合金預(yù)制膜后硒化的制備方法。研究采用的濺射系統(tǒng),是本中心自行設(shè)計(jì)研制的三靶共濺設(shè)備,陰極大小為3英寸,襯底基座可以旋轉(zhuǎn),以保證制備薄膜的均勻。 首先,在堿石灰玻璃襯底上制備厚度約1微米的鉬電極,在濺射過(guò)程中通過(guò)改變工作氣壓,使Mo電極具有類似層狀結(jié)構(gòu),消除了內(nèi)應(yīng)力的影響。通過(guò)掃描電鏡分析,薄膜表面具有魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu),從而增加了Mo電極和CIGS吸收層之間的接觸面積。Mo電極和玻璃襯底之間,及其和CIGS吸收層之間的附著力得到顯著提高。然后,在沉積有Mo電極的玻璃襯底上,通過(guò)共濺射的方法制備約700納米厚度的Cu(InGa)預(yù)制層薄膜,靶材采用CuIn和CuGa合金靶。硒化采用低溫和高溫過(guò)程依次進(jìn)行的2步方法,采用固態(tài)硒源,硒化室是一個(gè)半密封的石墨盒。通過(guò)在高溫區(qū)保溫30分鐘,制備出了性能優(yōu)異的CIGS吸收層薄膜,具有(112)晶面擇優(yōu)取向,顯示明顯的黃銅礦單一結(jié)構(gòu)。薄膜表面平整,晶粒大小均勻、排列緊密,晶粒大小達(dá)到3到5微米。用化學(xué)水浴法,制備厚度約70納米的CdS過(guò)渡層。分別采用醋酸鎘和硫尿作為鎘源和硫源。研究了ZnS薄膜的制備工藝,對(duì)無(wú)鎘電池的制備做了初步探索。最后用射頻磁控濺射的方法,研究了常溫下制備透明導(dǎo)電材料IT0和ZnO的制備工藝,研究了濺射功率和濺射氣壓對(duì)薄膜性能的影響。所制備的透明導(dǎo)電薄膜在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi),透過(guò)率到達(dá)80%到90%,方塊電阻達(dá)到15Ω/□以下。在CIGS薄膜太陽(yáng)能中,作為上電極材料,具有廣泛的應(yīng)用前景。 通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),優(yōu)化了背電極Mo、吸收層CIGS、過(guò)渡層CdS(ZnS)、本征氧化鋅i-ZnO和攙雜氧化鋅n-ZnO(或者ITO)的制備工藝。最后,制備出了結(jié)構(gòu)為Glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/n-ZnO/A1的CIGS電池器件。對(duì)器件的性能做了測(cè)試分析,在沒(méi)有減反射層的情況下,轉(zhuǎn)化效率達(dá)到7.8%。該研究采用的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的制備工藝簡(jiǎn)單、過(guò)程容易控制、設(shè)備和材料費(fèi)用低,沒(méi)有采用劇毒的氣源,適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的要求,為以后進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)做了技術(shù)儲(chǔ)備。 【關(guān)鍵詞】：CIGS薄膜太陽(yáng)能電池 TCO 磁控濺射 合金靶 固態(tài)硒源 硒化
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstracts8-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 太陽(yáng)能電池的研究背景12-13
• 1.2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介13-17
• 1.3 太陽(yáng)能電池的種類及特性比較17-19
• 1.4 薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)19-21
• 1.5 CIGS電池的發(fā)展現(xiàn)狀21-23
• 1.6 本論文的主要工作及目的23-26
• 參考文獻(xiàn)26-30
• 第二章 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法30-43
• 2.1 CIGS電池的結(jié)構(gòu)30-32
• 2.2 CIGS電池制作方法比較32-35
• 2.3 磁控濺射物理知識(shí)35-37
• 2.4 主要制備設(shè)備簡(jiǎn)介37-41
• 參考文獻(xiàn)41-43
• 第三章 CIGS吸收層制備工藝研究及結(jié)果分析43-62
• 3.1 襯底的選擇及清洗43
• 3.2 Mo電極的制備及表征43-45
• 3.3 CuInSe_2的制備工藝研究45-52
• 3.4 Cu(InGa)Se_2的制備及表征52-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 第四章 過(guò)渡層CdS和高阻ZnO的制備62-76
• 4.1 過(guò)渡層CdS的制備62-68
• 4.2 ZnS薄膜的制備68-71
• 4.3 高阻ZnO薄膜的制備71-72
• 4.4 本章小結(jié)72-73
• 參考文獻(xiàn)73-76
• 第五章 透明導(dǎo)電材料的研究76-92
• 5.1 常溫下磁控濺射制備ITO薄膜的研究76-81
• 5.2 常溫下磁控濺射制備ZnO薄膜的研究81-89
• 參考文獻(xiàn)89-92
• 第六章 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池性能表征及器件的制備研究92-101
• 6.1 太陽(yáng)能電池器件性能表征92-94
• 6.2 提高CIGS薄膜太陽(yáng)能電池性能途徑94-95
• 6.3 CIGS薄膜太陽(yáng)能器件的制備研究95-98
• 6.4 結(jié)果分析及工作展望98-100
• 參考文獻(xiàn)100-101
• 博士期間發(fā)表論文及專利101-103
• 致謝103

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