钾掺杂对PI衬底上低温制备CIGS太阳电池性能影响的研究

摘要

铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜太阳电池是目前最具有发展潜力的薄膜太阳电池：具有高的转换效率，且稳定性高、抗辐照能力强、无光致衰退现象。ZSW通过三步共蒸发方法获得21.7％的世界纪录效率；聚酰亚胺衬底上制备CIGS薄膜太阳电池，因为其柔性、绝缘、具有高的功率质量比，因此适合大规模卷对卷的工业化生产，广泛应用于建筑光伏一体化和空间电站，目前瑞士联邦材料测试与开发研究所(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology，EMPA)在PI上制备的小面积CIGS薄膜电池的效率达到了20.4%。
　　聚酰亚胺衬底与普通的钠钙玻璃(Soda Lime Glass，SLG)相比，最大的不同是不含有碱金属元素钠、钾（Na、K）。大量研究证明，CIGS中掺入适量的Na会对薄膜的电学性质起到很好的改善作用，因此，PI上制备高效CIGS必须人为掺入Na元素。同时，目前玻璃以及聚酰亚胺衬底上制备的CIGS薄膜最高效电池不仅人工掺入了Na元素，同时还掺入了K元素，K元素在CIGS表面以及界面起到了明显的钝化作用。因此，本论文中，基于Na掺杂的相关实验以及理论基础，研究了K元素掺杂对CIGS薄膜材料以及器件的影响。
　　通过采用前掺杂以及共蒸发K工艺，探究K在CIGS生长阶段所起的作用。研究发现，在CIGS生长阶段掺入K元素，促进了CIGS晶粒生长，促进了薄膜沿(220)方向结晶。但是在第一步第二步共蒸发过程因为K元素参与反应成核，在能带结构中引入深能级缺陷，使器件性能下降。前掺和第三步共蒸发则可以通过钝化晶界和表面，改善器件电学性能，提高器件效率。K的作用可以从两方面来解释，一是促进了Se的裂解，二是促进了元素之间的相互化合，尤其是促进了Cu的化合。
　　后掺杂K工艺既能改善CIGS薄膜的电学特性又不影响CIGS薄膜的生长过程，研究证明：后掺杂K对薄膜电学特性的改善，主要表现在钝化界面，提高薄膜的有效p型掺杂。

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第一章 柔性CIGS薄膜太阳电池的发展简介

第一节 CIGS薄膜太阳能电池现状

第二节 柔性PI衬底CIGS电池存在的问题

第三节 本文主要研究内容

第二章 低温CIGS薄膜生长机制以及K掺杂

第一节 低温生长CIGS工艺

第二节 PI衬底上制备CIGS薄膜电池碱金属掺杂

第三章 K掺杂在CIGS生长阶段的作用机制

第一节 含K预制层对CIGS及其器件的影响

第二节 K对CIGS不同生长阶段的作用

第三节 K对CIGS生长过程影响机制分析

第四节 本章小结

第四章 后掺杂K对CIGS表面和界面的钝化作用

第一节 后掺K工艺研究

第二节 后掺杂KF对CIGS薄膜表面的钝化作用

第三节 后掺杂K对CIGS器件作用

第四节 本章小结

第五章 共掺杂Na、K提升PI衬底CIGS器件性能

第一节 PI衬底上共掺杂K工艺研究

第二节 Na、K共同后掺杂对CdS/CIGS界面分析

第三节 PI衬底上制备CIGS后掺杂Na、K制备高效电池

第四节 本章小结

第六章 总结与展望

第一节 结论

第二节 总结工作与展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果