CIGS薄膜的单靶溅射制备和热处理工艺研究

摘要

Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)为黄铜矿结构的直接带隙p-型半导体，光吸收系数高达105cm-1,适合制备薄膜太阳能电池。CIGS的禁带宽度可通过控制Ga的掺入量在1.04～1.67 eV可调，来实现光吸收与太阳光谱匹配。CIGS光电转换效率高，光照下无性能衰减，是目前最具潜力的太阳能薄膜电池之一。
　　本文主要对CIGS四元光伏靶材、单靶溅射CIGS薄膜及其薄膜硒化处理进行研究，探索热压烧结CIGS靶材制备工艺与CIGS薄膜制备及膜的硒化处理之间的联系。分别研究了烧结温度对靶材致密度，衬底温度、固态Se源退火对沉积CIGS薄膜光电性能的影响，并探究之间的联系。
　　(1)通过对CIGS靶材的烧结工艺的探索，制备了致密度92％以上的符合溅射需求的靶材，其中630℃制备的靶材致密对为98.85％。得出了在压力45 Mp，粒径75 um，烧结时间3h条件下的较优烧结温度范围为620℃～650℃。
　　(2)对烧结的CIGS靶材在不同衬底温度下沉积CIGS薄膜，发现靶材致密度在92％以上，则相同衬底温度制备薄膜与靶材成分基本相同，与靶材烧结温度关系不大。随着靶材烧结温度的升高，CIGS薄膜能在更低温度形成(220)择优取向。薄膜的形貌与靶材烧结温度密切相关，可能是由于烧结温度使得制备的靶材内致密度和化学缺陷改变使得晶粒生长行为发生变化。
　　(3)530℃固态Se气氛中退火后，CIGS薄膜的方块电阻变大，结晶性和形貌得到改善，退火后薄膜成分中的Se元素原子百分比增加，改善了未退火薄膜的缺陷和复合中心等。在退火过程中，Se原子先跟表面接触的薄膜反应然后再扩散到薄膜内部反应，而Ga原子则是由薄膜表面向薄膜内部衬底侧扩散;退火后的CIGS薄膜光电性能跟未退火相比有了明显改善，I-T曲线由镰刀形波变成近似方形波。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能电池简介

1．1．1 太阳能电池的分类

1．1．2 CIGS的基本结构

1．1．3 CIGS薄膜电池的结构

1．1．4 真空法制备CIGS薄膜电池的研究进展

1．2 靶材制备方法

1．2．1 熔融铸造法

1．2．2 粉末冶金法

1．3 粉体材料烧结致密化机理

1．4 热压烧结中的影响参数

1．4．1 烧结温度的影响

1．4．2 烧结时间的影响

1．4．3 烧结压力的影响

1．4．4 粉末粒径的影响

1．5 研究意义及目的

第二章 CIGS靶材、薄膜的制备设备及表征方法

2．1 CIGS薄膜的制备设备和成膜机理

2．2 CIGS靶材的制备设备

2．3 CIGS靶材和薄膜制备及退火工艺

2．3．1 CIGS靶材制备工艺

2．3．2 CIGS薄膜制备工艺

2．3．3 磁控溅射影响因素

2．3．4 CIGS薄膜固态Se源退火工艺

2．4 表征技术

2．4．1 阿基米德排水法

2．4．2 X射线衍射分析(XRD)

2．4．3 电子扫描显微镜(SEM)和EDS

2．4．4 光电导测试

第三章 CIGS四元靶材及薄膜的制备与性能

3．1 烧结温度对CIGS靶材的性能影响

3．1．1 晶体结构

3．1．2 SEM

3．1．3 成分

3．1．4 致密度

3．1．5 本节小结

3．2 靶材烧结温度对CIGS薄膜的性能影响

3．2．1 晶体结构

3．2．2 表面形貌

3．2．3 化学成分

3．2．4 方块电阻

3．2．5 光电导

3．2．6 本节小结

3．3 本章小结

第四章 固态Se源退火对CIGS薄膜的性能影响

4．1 晶体结构

4．2 表面形貌

4．3 成分含量

4．4 CIGS薄膜方块电阻和光电导

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果