恒低温衬底顺序沉积CIGS薄膜材料及器件研究

摘要

铜铟镓硒(CIGS)化合物薄膜太阳电池是第二代太阳电池的典型代表，其特点是弱光性好、稳定性好、抗辐射能力强、基本无光衰减、光吸收系数高、转换效率高。目前，实验室中的小面积CIGS薄膜电池效率高达20.8％，是众多薄膜太阳电池中的佼佼者，世界上已经呈现诸多CIGS组件制造商，其商业前景备受瞩目。然而，三步共蒸发法作为实验室制备CIGS吸收层的首选工艺，在生产过程中难以实现，面临产业化改进。
　　顺序蒸发法正是三步共蒸发法面向产业化的改进。主要改进如下:首先，把薄膜衬底温度由两个温度区间改为恒衬底温度沉积，缩短了升降温时间;其次，固定线性蒸发源和移动衬底，使薄膜按照预先设计好的生长过程来沉积，提高了生产工作效率。本文的主要工作就是研究在450℃的恒低温衬底下设计CIGS薄膜的蒸发顺序，实现高质量CIGS薄膜的沉积。
　　通过研究发现:Cu顺序蒸发的初始阶段要与In、Ga存在共蒸发过程，这样对CIGS薄膜的晶粒生长、元素扩散有很大的帮助，最终可以提高器件的填充因子和转换效率。值得注意的是，Cu、In、Ga共蒸发时间不宜过长或过短，三者共蒸交叠时间应该控制在Cu总共蒸发时间的15％～20％。另外，在Cu停止蒸发前，一定要使得薄膜呈现富Cu状态下的CIGS，再补充蒸发In、Ga，最终形成贫Cu的CIGS薄膜，这样可以形成V型带隙梯度，提升器件的开路电压。
　　制备预制层薄膜为(In，Ga)2Se3采用的蒸发顺序应该是:先蒸发In、Se，再In、Ga、Se共蒸发，最后蒸发Ga、Se。采用先蒸发In后蒸发Ga这样的顺序改善了最终制备CIGS薄膜的结晶质量，缓解了背表面Ga梯度，提高了器件的填充因子和开路电压。
　　低温下CIGS薄膜表层应采用In、Ga共蒸发工艺，以解决In、Ga顺序工艺带来的表面缺陷密度过大、表面带隙过于陡峭等问题。假设表层共蒸发工艺难以实现，最好使用先蒸发Ga再蒸发In的工艺。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 实验室中的CIGS薄膜太阳电池

1．1．1 CIGS薄膜太阳电池概述

1．1．2 CIGS薄膜太阳电池研究历史

1．1．3 CIGS薄膜太阳电池研究热点

第二节 产业化中的CIGS薄膜太阳电池

1．2．1 产业化发展现状

1．2．2 产业化中共蒸发技术存在的问题

第三节 本文研究内容、意义及结构

第二章 CIGS低温顺序沉积特性、电池制备及研究手段

第一节 低温衬底沉积CIGS薄膜生长机制

第二节 面向产业化的蒸发工艺

第三节 CIGS薄膜电池结构及制备方法

2．3．1 CIGS薄膜电池结构

2．3．2 CIGS薄膜电池各层制备工艺

2．3．3 制备CIGS薄膜的真空系统

第四节 CIGS薄膜材料及器件主要测试方法

第五节 小结

第三章 Cu蒸发顺序调控对恒低温生长CIGS薄膜及器件特性影响

第一节 Cu蒸发工艺对CIGS薄膜特性及器件的影响

3．1．1 顺序蒸发中Cu蒸发工艺的选择

3．1．2 不同Cu蒸发工艺对CIGS薄膜形貌的影响

3．1．3 不同Cu蒸发工艺对CIGS薄膜结构的影响

3．1．4 不同Cu蒸发工艺对CIGS薄膜光学特性的影响

3．1．5 不同Cu蒸发工艺制备CIGS薄膜器件的结果

第二节 Cu与In、Ga的共蒸程度对CIGS薄膜特性及器件的影响

3．2．1 对薄膜形貌的影响

3．2．2 对薄膜结构的影响

3．2．3 对薄膜光学性质和电学性质的影响

3．2．4 对器件特性的影响

第三节 小结

第四章 背场Ga蒸发顺序调控对恒低温生长CIGS薄膜特性及器件特性影响

第一节 Ga顺序调控对(In，Ca)2Se3薄膜特性影响

4．1．1 Ga顺序调控对(In，Ga)2Se3薄膜晶相影响

4．1．2 Ga顺序调控对(In，Ga)2Se3薄膜形貌影响

第二节 背场Ga顺序调控对CIGS薄膜材料及器件影响

4．2．1 背场Ga顺序调控对CIGS薄膜形貌影响

4．2．2 背场Ga顺序调控对CIGS薄膜结构影响

4．2．3 背场Ga顺序调控对CIGS薄膜电学和光学特性影响

4．2．4 背场Ga顺序调控对CIGS器件特性影响

第三节 小结

第五章 恒低温顺序蒸发CIGS薄膜表层蒸发顺序研究

第一节 表层Ga含量对CIGS电池器件的影响机制

第二节 表层蒸发In、Ga顺序对CIGS薄膜及器件特性的影响

5．2．1 对薄膜表面结构影响

5．2．2 对薄膜形貌影响

5．2．3 对器件性能影响

第三节 小结

第六章 总结与展望

第一节 本文主要结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历