溅射预制层固态源硒化法制备CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池

摘要

CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳电池由于成本低、光电转换效率高，没有衰退被认为是最有发展前景的电池之一。CIGS太阳电池的结构主要包括CIGS薄膜、缓冲层CdS薄膜、窗口层ZnO和ZnO：Al薄膜，其核心是作为吸收层的CIGS薄膜。CIGS薄膜的制备有两种技术路线，即共蒸发法和溅射后硒化法。共蒸发法特点是薄膜质量好，容易实现元素的梯度分布，电池转换效率高，世界纪录小面积电池效率19.5％和大面积120×60cm2组件效率超过13％都是由蒸发法制备的。但是该方法对设备要求严格，蒸发过程不容易控制，大面积均匀性与连续化生产难度很大。溅射后硒化法是先按照元素比例溅射沉积金属预制层，在Se气氛中硒化反应形成铜铟硒(简称CIS)或铜铟镓硒(简称CIGS)化合物半导体薄膜。虽然目前溅射后硒化法制备的电池转换效率低于共蒸发法，但它是最容易实现大规模工业化生产的技术途径，该方法制备的大面积CIGS薄膜均匀性好，设备和工艺比较容易实现。溅射后硒化法工业化技术国外均使用硒化氢(H2Se)为硒源，其优点是Se的活性强，容易与金属预制层反应生成化合物半导体，硒化后的CIGS薄膜结构和性能都很好。但H2Se气体剧毒，易燃易爆，安全性不好，价格昂贵，运输储存困难，不符合安全、环保、廉价的发展方向。 本论文以固态硒颗粒为硒源，采用溅射后硒化制备CIGS薄膜材料和电池器件，重点研究了固态源硒化技术，系统地总结、归纳实验研究成果以及国外关于CIGS薄膜太阳电池的材料和器件的物理结构以及化学物理特性等理论。围绕硒化理论、制备技术、工艺及设备结构等方面开展多项研究。 理论上分析了CIGS薄膜能带结构与电池性能的关系，根据Ga的在硒化过程中的迁移扩散机理，实验研究预制层结构、Ga元素扩散与硒化参数三者之间的关系，改造硒化设备条件，根据Ga的最佳分布曲线，研究出多靶顺序溅射预制层、高温、高硒压快速退火等技术，有效控制Ga元素的扩散迁移，首次采用固态源硒化法成功地控制镓在CIGS薄膜中实现梯度分布，增加薄膜表面带隙，提高了电池的量子效率和开路电压，Voc达到560mv。 首次对硒化亚铜的形成机理、物理特性等进行了系统地研究。从理论和实验两个方面分析和研究硒压、薄膜成分、硒化温度曲线、预制层结构等条件对Cu2-xSe结晶的影响，掌握了Cu2-xSe的结晶与分解条件，提出具体的抑制方法，包括降低预制层表面铜的比例、提高硒压、提高升温速率和硒化温度等方法，最大程度上抑制了CIGS薄膜表面Cu2-xSe的结晶。在薄膜整体铜含量较高的情况下，采用相对简单的方法成功消除CIGS薄膜表面的硒化亚铜，有效提高电池的填充因子和开路电压，有效地改善了工艺稳定性。 通过系统地总结固态源硒化法制备CIGS薄膜太阳电池材料的工艺体系。在设备结构、溅射工艺的调整、硒化温度曲线、硒源硒压的控制等提出了工艺指导原则。通过研究硒化过程中的薄膜结晶质量与相变，包括薄膜的成分及结构，制定了工艺控制条件，论文研究证明了固态源硒化法在保证薄膜结晶质量的情况下同样可以控制Ga元素的分布并抑制Cu2-xSe的结晶。采用溅射预制层固态硒后硒化方法研制出最高转换效率达9.4％的CIGS薄膜太阳电池。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

第二章Cu(InGa)Se2薄膜太阳电池原理及制备技术

第三章固态源后硒化研究

第四章镓(Ga)梯度分布的影响与控制

第五章Cu2-xSe的产生及其对电池性能的影响

第六章缓冲层与窗口层

第七章结论

个人简历、攻读博士学位期间发表的论文

致谢