CuIn/CuGa双靶共溅射制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池

摘要

近年来，社会经济的飞速发展对能源的需求与日俱增，有限的化石能源储量制约着社会的进步和经济的可持续发展。绿色、可再生能源的有效开发利用成为解决人类能源危机和环境问题的关键。太阳能因其取之不尽、用之不竭和清洁无污染等优点，而受到广泛的关注。太阳能电池是人类利用太阳能的一种重要而直接的方式，从降低材料成本、光伏建筑一体化和大规模应用的角度考虑，薄膜化是太阳能电池发展的必然趋势。黄铜矿相的CIGS薄膜太阳能电池，因其具有光吸收系数高、禁带宽度可调、弱光性好和转换效率高等优点，而在薄膜太阳能电池领域备受关注。目前，采取共蒸发技术制备的CIGS电池，其实验室效率高达22.6％。然而，共蒸发技术存在制备工艺复杂、生产成本高和不易大面积连续生产的缺陷，限制了其大规模实际应用的步伐。相较而言，磁控溅射法具有更灵活的工业生产兼容性、较好的的重复性和易于实现连续大面积生产的优势。因此，本论文采用双靶磁控溅射技术，通过精确调控两个独立工作的磁控溅射靶，实现组分均一、杂相较少的高质量CIGS吸收层材料的制备；详细研究了工作气压和溅射功率对 CIGS吸收层材料结构、组分和光电特性的影响，并组配了完整的CIGS电池器件；在此基础上，详细研究了后硒化工艺条件对器件性能的影响规律并对后硒化工艺条件进行了优化和改进，将器件的光电效率由8.92%提高到11.19%。
　　本研究主要内容包括：⑴采用Cu0.2In0.8和Cu0.8Ga0.2双元合金靶制备CuInGa的合金预置层薄膜，经过后硒化退火处理，制备高质量的CIGS吸收层。并通过一系列表征手段系统调研了工作压强对薄膜组分、形貌以及性能的影响。系统研究了工作压强对薄膜组分、形貌、结构和光电性能的影响。研究结果表明：增大工作气压，虽然更易于得到贫铜的P型的CIGS薄膜，但薄膜的致密性以及与基底的接触程度却逐渐恶化。XRD和Raman测试结果显示：工作压强为0.2Pa时的薄膜在衍射角为42.5°处仍存在Cu11In9合金相的衍射峰；其余的薄膜均形成了纯的黄铜矿相的CIGS，沿(112)晶面择优生长；在工作压强为0.8 Pa的条件下，获得了结晶性良好的CIGS吸收层。⑵探究了Cu0.2In0.8靶和 Cu0.8Ga0.2靶的相对溅射功率对薄膜的形貌、组分和器件光电参数的影响，并将一系列吸收层薄膜制备成太阳能电池器件。研究结果表明：Cu0.2In0.8靶溅射功率为90 W，Cu0.8Ga0.2靶溅射功率为20 W时制备的薄膜表面平整致密，结晶性良好且无杂相生成。基于该吸收层的CIGS薄膜太阳能电池器件，其光电转换效率达到8.92%，其中Jsc=38.21 mA/cm2, Voc=424mV, FF=55.09%。⑶研究了硒化温度对薄膜成分比例、结晶性和器件光电参数的影响。研究结果表明：560 oC硒化得到的CIGS吸收层薄膜元素比例适当，结晶性良好，器件的光电转换效率达到9.92%。在此基础上，进一步进行合金预置层预热处理，提高其合金化程度和组分均匀性，来进一步提高CIGS吸收层的质量；通过合金化处理，并在560oC硒化所制备的CIGS吸收层，组分合理、结晶性良好，其光电转换效率提高到11.19%，其光电参数为Jsc=40.357mA/cm2, Voc=456mV, FF=60.82%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2太阳能电池简介

1.3 CIGS薄膜太阳能电池

1.4目前存在的问题

1.5本论文的研究目的、思路及主要内容

第二章 工作压强对CIGS薄膜结构及其性能的影响

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 不同溅射功率制备CIGS薄膜及其器件的构筑

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 不同退火温度制备CIGS薄膜及其器件的构筑

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

结论与展望

结论

存在的问题

展望

参考文献

硕士期间发表和已完成的论文与工作

致谢