Cu(InxGa1-x)Se2和Cu2ZnSn(S/Se)4太阳能电池薄膜的实验与理论研究

摘要

Cu(InxGa1-x)Se2和Cu2ZnSn(S/Se)4太阳能电池是多元化合物半导体材料中最具代表性的光伏器件，它们具有成本低、性能稳定，转换效率高等优点而成为国际光伏界研究的热点之一。Cu(InxGa1-x)Se2太阳能电池经过30多年的发展，其最高转换效率已达到20.3％，但这种电池的产业化依然没有形成一定的规模，其主要困难在于吸收层Cu(InxGa1-x)Se2的制备。吸收层的质量好坏对整个太阳能电池效率有重要的影响。由于CIGS薄膜中In和Ga是稀有金属，相对来说比较昂贵，所以人们又去寻找新的可替代In和Ga的元素。Cu2ZnSnS4(CZTS)和Cu2ZnSnSe4(CZTSe)目前被认为是很有前景的替代性材料，我们先用第一性原理计算了CZTS/Se的电子结构和光学性质，为进一步实验提供了理论基础。
　　为此本文工作主要分为两个部分，一是用磁控溅射多靶共溅射方法制备了CIGS薄膜，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和原子力显微镜(AFM)分别研究了沉积参数对CIGS薄膜的晶体结构、表面形貌和成分比例的影响；并探索了CIGS薄膜太阳能电池背电极层、缓冲层和窗口层的工艺条件。二是采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA)的PBE平面波超软赝势方法，优化了锌黄锡矿型铜锌锡硫(CZTS)和铜锌锡硒(CZTSe)的几何结构参数，计算并系统比较分析了锌黄锡矿型CZTS和CZTSe的能带结构、态密度、吸收系数、复介电函数、复折射率、反射率、复电导率和能量损失函数。得到的结果如下：
　　(1)通过共溅射方法制备的CIS吸收层薄膜的生长质量和结晶性能很大程度上依赖于溅射和退火温度。低衬底温度条件下，沉积到表面上的原子能量较低，迁移能力差，不利于晶体生长，随着温度的升高，沉积到表面的原子迁移能力增强，抑制了界面失配错位的产生，提高了薄膜的结晶度，薄膜的表面形貌也随温度的升高变得平整致密。实验表明在560℃，570℃温度下对薄膜进行退火后都可以得到结晶良好的CIS薄膜。
　　(2)利用共溅射方法制备的CIGS薄膜，通过调节衬底温度和CuIn、CuGa、Se三靶的溅射功率调节薄膜的结晶质量和Ga的成分比例。实验表明，在高衬底温度下，薄膜的结晶情况和表面形貌都要好于低衬底温度。通过调节三靶的功率我们可以得到接近化学元素计量比的CIGS薄膜。
　　(3)CZTS和CZTSe都为直接带隙半导体材料，理论计算的CZTS带隙要比CZTSe带隙大0.5eV左右，CZTS带隙更接近于太阳能吸收材料的最佳带隙。
　　(4)理论上CZTS和CZTSe的最强吸收峰都在紫外光区，达到105cm-1数量级。在可见光区域，CZTSe的吸收系数略高于CZTS，且它们的吸收系数平均值都高于104cm-1。较高的吸收系数是它们作为薄膜太阳能电池吸收层材料的一个有利条件。
　　(5)CZTS和CZTSe的复介电函数曲线和文献中的结果基本上是一致的。CZTS的禁带宽度比CZTSe偏大，导致CZTS的复介电函数实部和虚部曲线相对于CZTSe略微向高能方向移动，曲线的各个峰值与电子态的直接或间接跃迁密切相关。