銅銦硒薄膜太陽能電池材料的制備與若干理論計(jì)算研究

【摘要】： 進(jìn)入21世紀(jì)以來,全球范圍內(nèi)能源和環(huán)境問題日益突出。太陽能具有取之不盡、用之不竭并且屬于清潔能源等優(yōu)點(diǎn),成為解決能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑。薄膜太陽能電池兼具Si基太陽能電池高轉(zhuǎn)換效率及成本較低的優(yōu)點(diǎn),其中,銅銦硒(CuInSe2, CIS)由于具有能夠調(diào)整光學(xué)能隙、吸收率高(~6×105/cm)、抗輻射能力強(qiáng)和長期的穩(wěn)定性等特點(diǎn),被認(rèn)為最有希望的薄膜太陽能電池材料之一。本文對CIS薄膜太陽能電池中有關(guān)薄膜材料的幾個基礎(chǔ)問題進(jìn)行研究,研究內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩個部分。 實(shí)驗(yàn)部分研究了電沉積法和濺射Cu-In合金層硒化法制備CIS薄膜,并對這兩種制備方法的關(guān)鍵工藝參數(shù)對CIS薄膜的性能影響進(jìn)行了分析。研究了電沉積法的工作機(jī)理和工藝參數(shù)對CIS薄膜性能的控制規(guī)律,以及后續(xù)的真空退火處理對電沉積CIS薄膜的結(jié)晶性、表面形貌和薄膜成分的改善作用;研究了硒化溫度對濺射Cu-In合金層硒化法制備CIS薄膜的工藝的影響,揭示了硒化過程中成分和物相的變化以及薄膜表面和截面形貌的變遷,提出了硒化過程中CIS薄膜生長的三個階段;在反應(yīng)濺射的MoNx薄膜基底上生長了強(qiáng)擇優(yōu)取向的CIS薄膜,并對擇優(yōu)取向的形成原因進(jìn)行了分析。 理論計(jì)算部分用第一性原理計(jì)算方法對CIS中的一些基礎(chǔ)物理問題進(jìn)行了研究。研究了CIS結(jié)構(gòu)變形和同族元素取代對電子結(jié)構(gòu)的影響,用化學(xué)鍵長的變化解釋了能帶結(jié)構(gòu)的變化,并提示了CIS的結(jié)構(gòu)參數(shù)和能隙隨著同族元素取代量的變化規(guī)律;研究了CIS中的本征和非本征缺陷物理,對于黃銅礦相和CuAu結(jié)構(gòu)的CIS,首次提出了有序缺陷化合物CuIn5Se8的兩種穩(wěn)定晶型,計(jì)算了CIS中本征和非本征缺陷的形成能隨化學(xué)勢和費(fèi)米能級的變化規(guī)律,并對Na+摻雜所引入缺陷的作用機(jī)制進(jìn)行了解釋;對CIS與II-VI族化合物所形成的異質(zhì)結(jié)的能帶排列進(jìn)行了計(jì)算,確定導(dǎo)帶偏差ΔEc和價(jià)帶偏差ΔEv對尋找CdS緩沖層的替代材料有重要指導(dǎo)意義。 本文的研究結(jié)果對推進(jìn)CIS薄膜太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用具有積極的意義。 【關(guān)鍵詞】：銅銦硒 薄膜太陽能電池 硒化法 缺陷化合物 能帶偏差
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-27
• 1.1 太陽能電池10-16
• 1.1.1 太陽能電池的工作原理11-13
• 1.1.2 硅基太陽能電池13-14
• 1.1.3 薄膜太陽能電池14-16
• 1.2 CIS 薄膜太陽能電池16-24
• 1.2.1 CIS 介紹16-18
• 1.2.2 CIS 薄膜太陽能電池介紹18-19
• 1.2.3 研究進(jìn)展及現(xiàn)狀19-21
• 1.2.4 CIS 薄膜太陽能電池的研究熱點(diǎn)21-24
• 1.3 論文的研究目的與研究計(jì)劃24-27
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法與理論計(jì)算27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 CIS 薄膜制備方法27-32
• 2.2.1 一步電沉積法27-29
• 2.2.2 真空退火29
• 2.2.3 磁控濺射29-31
• 2.2.4 硒化退火31-32
• 2.3 CIS 薄膜性能表征32-33
• 2.3.1 X 射線衍射分析(XRD)32
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)32
• 2.3.3 X 射線光電子能譜(XPS)32-33
• 2.3.4 X 射線熒光光譜分析(XRF)33
• 2.3.5 霍爾效應(yīng)(HE)測試33
• 2.4 第一性原理計(jì)算方法33-43
• 2.4.1 DFT 理論33-35
• 2.4.2 系統(tǒng)總能量計(jì)算35-37
• 2.4.3 能帶計(jì)算37-38
• 2.4.4 缺陷形成能38-40
• 2.4.5 異質(zhì)結(jié)能帶偏差的計(jì)算40-43
• 第3章 一步電沉積法制備CIS 薄膜研究43-56
• 3.1 引言43-45
• 3.2 一步電沉積法制備CIS 薄膜45-50
• 3.2.1 循環(huán)伏安曲線46-48
• 3.2.2 溶液濃度和沉積電位對沉積CIS 薄膜的影響48-50
• 3.3 真空退火50-55
• 3.3.1 真空退火對成分的影響50-51
• 3.3.2 真空退火對物相的影響51-54
• 3.3.3 真空退火對表面形貌的影響54-55
• 3.3.4 導(dǎo)電類型測量55
• 3.4 小結(jié)55-56
• 第4章 濺射Cu-In 合金層硒化法制備CIS 薄膜56-72
• 4.1 引言56-57
• 4.2 溫度對CIS 薄膜硒化工藝的影響57-65
• 4.2.1 硒化過程中物相的變化58-62
• 4.2.2 硒化過程中CIS 薄膜表面形貌的變化62-64
• 4.2.3 硒化過程中CIS 薄膜生長的三個階段64-65
• 4.3 強(qiáng)擇優(yōu)取向CIS 薄膜的制備研究65-70
• 4.3.1 MoNx 基底材料的制備66-67
• 4.3.2 強(qiáng)擇優(yōu)取向CIS 薄膜的制備67-70
• 4.4 小結(jié)70-72
• 第5章 結(jié)構(gòu)參數(shù)和同族元素取代對電子結(jié)構(gòu)的影響72-87
• 5.1 引言72-73
• 5.2 Cu 基I-III-VI 族化合物的典型電子結(jié)構(gòu)73-75
• 5.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對電子結(jié)構(gòu)的影響75-80
• 5.3.1 研究方法76
• 5.3.2 計(jì)算結(jié)果76-80
• 5.4 同族元素取代對電子結(jié)構(gòu)的影響80-85
• 5.4.1 研究方法81-82
• 5.4.2 計(jì)算結(jié)果82-85
• 5.5 小結(jié)85-87
• 第6章 CIS 中的本征及非本征缺陷過程87-111
• 6.1 引言87-88
• 6.2 CIS 中的本征缺陷88-103
• 6.2.1 計(jì)算方法89-91
• 6.2.2 本征缺陷作用91-96
• 6.2.3 缺陷化合物的形成及結(jié)構(gòu)96-103
• 6.3 CIS 中的非本征缺陷103-110
• 6.3.1 計(jì)算方法103-104
• 6.3.2 Na+摻雜的影響及機(jī)制研究104-110
• 6.4 小結(jié)110-111
• 第7章 CIS 與II-VI 族緩沖層異質(zhì)結(jié)的比較研究111-124
• 7.1 引言111-112
• 7.2 計(jì)算方法112-114
• 7.3 CIS 與II-VI 族緩沖層異質(zhì)結(jié)的能帶排列114-122
• 7.4 小結(jié)122-124
• 第8章 結(jié)論124-127
• 參考文獻(xiàn)127-140
• 致謝140-141
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果141-142

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