柔性不锈钢衬底铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池研究

摘要

不锈钢衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳电池有两个问题不同于玻璃衬底电池，一是不锈钢衬底表面粗糙度对金属Mo电极和CIGS薄膜结构的影响，二是金属元素Fe向CIGS薄膜内扩散，导致电池效率下降。因此，研究其内在原因所造成的影响，并研究其相应的措施来降低或消除其不利影响，提高太阳电池转换效率是本论文所要研究的中心内容。
　　 本论文针对不锈钢(简称SS)衬底对CIGS太阳电池材料与器件的影响展开了一系列研究，其中包括SS衬底表面对电池材料结构的影响，衬底的金属杂质向电池内部扩散及分布，CIGS晶面择优取向形成及控制对器件性能的影响，开发杂质阻挡层和和电绝缘层。研究的结果在制备SS衬底CIGS薄膜电池的过程中得以验证。
　　 SS衬底对Mo薄膜的结构和形貌的研究结果表明：在SS上沉积Mo电极具有与玻璃衬底Mo有相同的晶体结构和表面形貌，只是不锈钢衬底上的Mo薄膜晶粒间隙较大，存在较多孔洞。
　　 金属杂质向电池内部扩散的研究结果表明，衬底温度是Fe扩散的必要条件，衬底温度低于450℃时几乎不发生Fe扩散，此时Fe在CIGS内的含量低于In元素4个半个量级。衬底温度每升高50℃，CIGS内Fe含量升高一个数量级。衬底温度为500℃时，扩散进Mo/CIGS系统中的Fe原子易于聚集在薄膜表面ODC区域、CIGS/Mo界面处。随着衬底温度升高至550℃，Fe在CIGS/Mo界面及CIGS内部趋向于均匀分布。Fe在CIGS薄膜中可能的表现形式有两种，一种是Fe原子代替薄膜内部的金属原子，如In(Ga)、Cu，形成FeIn(Ga)、FeCu缺陷：另外一种是Fe与Se发生化学反应形成Fe-Se的化合物，如Fe3Se4等，但因该物质含量较少，从XRD中检测不出来。Fe在Mo中主要呈梯度分布，其含量主要受内部结构缺陷密度影响，与温度关系不大。另外，实验表明水浴制备CdS时，Fe不具备从溶液扩散进入CIGS的温度和浓度，电池性能没有受到影响。
　　 在三步蒸发法低温制备不锈钢衬底CIGS薄膜电池吸收层时，高Se束流增大了CIGS晶粒尺寸，降低了CIGS薄膜的结构缺陷，使Fe的总体含量降低。尤其是CIGS表面、CIGS/Mo界面处的Fe含量降低更加明显。通过工艺的优化，制备出了无阻挡层、未掺Na的不锈钢衬底CIGS薄膜电池，其转换效率达到了12.1％(该结果由中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心标定)。
　　 在研究CIGS薄膜晶面择优取向时获知，三步蒸发法制备CIGS过程第一步衬底温度Ts1是形成CIGS薄膜(220)择优取向的必要条件，第二步衬底温度Ts2对CIGS薄膜择优取向的影响与其Cu-rich生长阶段有关，未经过Cu-rich阶段的CIGS薄膜，Ts2的增加会促进CIGS的(112)晶面生长；Fe的掺杂会使(112)晶面不稳定，抑制了(112)晶面的生长，相应地促进了CIGS薄膜(220)晶面生长；不锈钢衬底上(220)-CIGS薄膜表面附近仍以(220)取向为主，而玻璃衬底上(220)-CIGS薄膜表面附近却以(112)取向为主。Na和Fe共掺杂时，CIGS薄膜的(112)取向增强，表明与Fe掺杂相比，Na的掺杂对(112)晶面的影响更大，这主要是Na-Se偶极子的动量较大的缘故。在研究晶面取向对器件性能影响中发现，SS衬底CIGS电池Voc、Jsc和FF随着CIGS结构(220)晶面取向强度增加而单调上升，而玻璃衬底电池却表现出先增高后减小的趋势，用晶界中性势垒模型对此两种现象进行了初步的解释。
　　 论文中对于阻挡金属原子向CIGS内部扩散作了多项研究，其中根据Fe贮留在结构缺陷的特性，对Mo薄膜制备多层结构用以产生大量界面，结果表明具有多界面的Mo薄膜对Fe具有很好的阻挡作用，电池的效率提高明显；另外本征ZnO、金属Cr薄膜都做了一系列实验，但都不是最理想的材料。
　　 AIN材料耐高温、性能稳定，将其作为SS衬底的阻挡层与电绝缘层，不仅明显的阻挡金属原子扩散，而且经高温过程后仍保持其高阻特性，可以满足不锈钢衬底阻挡杂质与电绝缘的双重功能，为内联式不锈钢衬底薄膜电池组件奠定了基础。AIN与Mo薄膜有很好地晶格匹配，促使Mo晶粒增长，但溅射速率偏低。AIN/Cr复合膜既可以实现对金属原子分层阻挡作用，而且可以缩短制备电池的整体时间。以此结构为阻挡层制备出SS衬底CIGS太阳电池，其转换效率达到11.8%，填充因子超过70%，证明其阻挡杂质十分有效。