铜铟镓硒薄膜太阳能电池CIGS吸收层的制备与性能研究

摘要

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池具有转化效率高、成本较低、适合大规模生产等优点。其吸收层属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，具有1.04-1.65eV的可调禁带宽度和高达105cm-1的吸收系数。本文采用CIGS四元靶进行直流磁控溅射，制备吸收层CIGS薄膜，并研究溅射参数和退火工艺对其结构、形貌、成分和性能的影响。
　　采用直流磁控溅射的方法制备得到底电极Mo层，并研究了其结构、表面形貌以及电学性能。研究表明所制备的Mo膜表面平整致密，结晶性好，厚度约为1μm,方块电阻约为0.12Ω/sq，满足高性能器件的要求。
　　采用直流磁控溅射的方法在底电极Mo层表面制备得到吸收层CIGS薄膜。研究表明衬底温度对CIGS薄膜的结晶性起到决定性作用。随着衬底温度的升高，薄膜的结晶性得到改善，晶粒尺寸逐渐增大，电阻率减小，载流子浓度增加；但衬底温度过高，薄膜会出现相分离的现象。工作气压对制备的CIGS薄膜有明显的影响。随着工作气压逐渐升高，薄膜的结晶性变差，致密度有所下降。另外，随着工作气压的升高，CIGS薄膜的载流子浓度先减小后增大，而载流子迁移率的变化规律恰恰相反。薄膜的电阻率受到载流子浓度、迁移率以及Cu2-xSe二次相的共同影响，呈现下降趋势。所制备CIGS薄膜的禁带宽度均在1.6-1.7eV之间，随着[Ga]/[Ga+In]值的增加而增大。
　　采用快速热退火工艺对CIGS薄膜进行退火处理。研究表明，随着退火温度的升高，薄膜的结晶性变好，逐渐形成(112)纤维织构，并释放出大部分残余应力；但当退火温度过高时，CIGS层会与Mo层发生分离，并产生大量杂相。另外，经过退火处理的CIGS薄膜载流子浓度增加，电阻率减小；但当退火温度达到550℃时，薄膜的电阻率大大提高，而载流子浓度则相对减小。

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第1章 绪论

1.1 太阳能电池的发展

1.1.1太阳能电池的研究背景

1.1.2太阳能电池的发展现状

1.2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池简介

1.2.1 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展

1.2.2铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构及工作原理

1.2.3铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法

1.3铜铟镓硒薄膜的物理性质

1.3.1铜铟镓硒薄膜的光学特性

1.3.2铜铟镓硒薄膜的电学特性

1.3.3铜铟镓硒薄膜的材料特性

1.4 本论文的研究内容与创新点

第2章 铜铟镓硒薄膜的制备和表征方法

2.1 实验材料

2.2 实验主要仪器及设备

2.2.1 磁控溅射设备

2.2.2 快速退火设备

2.3 实验方案

2.3.1 衬底的选择与清洗

2.3.2 底电极Mo层的制备工艺

2.3.3 吸收层CIGS薄膜的制备工艺

2.3.4 吸收层CIGS薄膜的退火工艺

2.4 表征方法

2.4.1 X射线衍射分析

2.4.2拉曼光谱分析

2.4.3场发射扫描电子显微镜分析

2.4.4 四探针测试仪

2.4.5 霍尔效应测试仪

2.4.6 紫外可见光分度计

第3章 铜铟镓硒薄膜的制备及性能研究

3.1 底电极钼层的制备与表征

3.2 吸收层铜铟镓硒薄膜的制备与表征

3.2.1 衬底温度对铜铟镓硒薄膜的影响研究

3.2.2 工作气压对铜铟镓硒薄膜的影响研究

3.3 本章小结

第4章 退火工艺对铜铟镓硒薄膜结构和性能的影响

4.1 铜铟镓硒薄膜的退火工艺

4.2退火温度对铜铟镓硒薄膜结构的影响

4.2.1退火温度对铜铟镓硒薄膜物相的影响

4.2.2退火温度对铜铟镓硒薄膜织构的影响

4.2.3退火温度对铜铟镓硒薄膜残余应力的影响

4.3退火温度对铜铟镓硒薄膜形貌的影响

4.4退火温度对铜铟镓硒薄膜电学性能的影响

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢