CBD-ZnS缓冲层的制备及在CIGS电池中的应用

摘要

近年来，CIGS太阳电池以其转换效率高、抗辐射能力强等优点，成为最有发展潜力的太阳电池之一。CIGS太阳电池多采用CBD-CdS作缓冲层，但Cd有毒，污染环境，且CdS带隙窄(2.4eV)在短波处的光吸收损失大。因此，开发无镉缓冲层材料成为CIGS太阳电池研究的热点，其中ZnS具有无毒、廉价、带隙宽(3.7eV)等优点。所以，本文采用CBD-ZnS作为CIGS电池的无镉缓冲层，对CBD-ZnS工艺、ZnS/CIGS界面特性以及电池进行研究，得到以下结论： 化学水浴法制备ZnS薄膜的工艺是在碱性溶液中进行的，反应溶液由ZnSO<,4>、NH<,4>OH和SC(NH<,2>)<,2>组成。溶液组分、水浴温度、沉积时间等工艺条件对ZnS薄膜的附着力、透过率、结晶状况以及表面形貌等都有影响。研究结果表明：三种反应物中NH<,4>OH浓度的变化对薄膜质量影响最大，SC(NH<,2>)<,2>浓度的变化对薄膜影响最小，ZnSO<,4>浓度增加时薄膜生长速率加快，溶液中形成胶体颗粒的速率也加快，水浴温度在80℃时得到的薄膜质量最好。经过工艺研究后得到制备 ZnS薄膜的最佳条件为：ZnSO<,4> 0.025M、 NH<,4>OH 2.9M、SC(NH<,2>)<,2>0.27M、80℃水浴温度。在此条件下制备的ZnS薄膜基本呈非晶态、λ>500nm处的透过率都在80％以上。低温下(<300℃)对薄膜进行空气退火，薄膜的结晶并未改善，400℃空气退火后薄膜的组分发生变化，XRD测试有ZnO衍射峰出现。 分析了ZnS/CIGS异质结界面的特性，包括能带图、晶格失配、界面组分等。通过XPS测试ZnS/CIGS价带能谱计算出ZnS与CIGS的导带偏移量(CBO)为1.16eV,价带偏移量(VBO)为1.35eV，画出了ZnS/OVC/CIGS各层能带之间的关系；对ZnS/CIGS进行200℃空气退火，促使Zn向CIGS内部扩散；PE处理过程中有Cd<'2+>扩散进CIGS吸收层，替代Cu<'+>的空位形成n掺杂，使CIGS导电性由强p型向弱p型转变。 在电池制备过程中，对电池进行200℃空气退火、PE处理、蒸镀MgF<,2>减反射膜。实验结果表明空气退火和PE处理都能在CIGS内部形成n型掺杂，改善异质结的性能，提高电池效率；蒸镀减反射膜后电池的短路电流增加。 最后得到的ZnS/CIGS电池稳定效率为11％，为国内最高效率，且具有良好的重复性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1太阳电池的研究背景

1.2太阳电池的工作原理及等效电路

1.2.1太阳电池工作原理

1.2.2太阳电池的等效电路

1.3 CIGS太阳电池国内外发展状况

1.3.1 CIGS太阳电池国外发展状况

1.3.2无镉CIGS太阳电池的国外发展状况

1.3.3国内发展状况

1.4研究内容

第二章实验原理及方法

2.1实验原理

2.1.1 CBD-ZnS的反应机理

2.1.2减反射膜工作原理

2.2实验部分

2.2.1 CBD-ZnS的实验装置及制备流程

2.2.2减反射膜制备工艺

2.3太阳电池的制备工艺

2.3.1 Mo金属背电极制备

2.3.2 CIGS吸收层的制备及实验装置

2.3.3 ZnO窗口层的制备

2.3.4 Al电极的制备

2.4测试分析手段

2.4.1薄膜表征的手段

2.4.2太阳电池的测试条件及仪器

第三章工艺条件对ZnS薄膜的影响

3.1日本CBD-ZnS薄膜工艺的实验

3.1.1工艺条件对ZnS薄膜的影响

3.1.2pH值对薄膜的影响

3.1.3溶液组分对薄膜的影响

3.2制备ZnS薄膜的基本工艺过程

3.3溶液组分对薄膜沉积的影响

3.3.1氨水浓度的变化对ZnS薄膜的影响

3.3.2 CS(NH2)2浓度的变化对ZnS薄膜的影响

3.3.3 ZnSO4浓度的变化对CBD-ZnS薄膜的影响

3.3.4溶液组分的确定

3.4水浴温度及沉积时间对薄膜的影响

3.4.1水浴温度对ZnS薄膜的影响

3.4.2沉积时间对薄膜的影响

3.5热处理对ZnS薄膜的影响

小结

第四章ZnS/CIGS界面特性

4.1空气退火对ZnS/CIGS的影响

4.2PE处理对ZnS/CIGS的影响

4.3 ZnS/CIGS界面成分分布

4.4 ZnS/CIGS异质结特点

4.4.1 ZnS/CIGS能带图

4.4.2晶格失配

小结

第五章CIGS太阳电池材料性能及电池结果分析

5.1 CIGS太阳电池材料性能

5.1.1 Mo金属背电极

5.1.2 CIGS吸收层材料的性质

5.1.3窗口层ZnO的特性

5.2 MgF2减反射膜的特性

5.3电池的测试分析

5.3.1 CBD-ZnS厚度对CIGS太阳电池的影响

5.3.2空气退火和PE处理对电池的影响

5.3.3 MgF2减反射膜对电池的影响

5.4 ZnS/CIGS与CdS/CIGS太阳电池的比较

5.5国内外CIGS太阳电池的比较

5.5.1国内外最高纪录的比较

5.5.2开路电压

5.5.3短路电流

5.5.4填充因子

5.5.5串、并联电阻

小结

第六章工作回顾与展望

6.1工作回顾

6.2工作展望

致谢

参考文献

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果