等离子体硒化分步电沉积CIG薄膜及太阳电池制备的研究

摘要

Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜作为一种直接带隙半导体材料，具有吸收性好、转换效率高、抗衰退性能稳定等突出优点。采用电沉积技术制备薄膜，生产成本低，原材料利用率高，更适合大规模工业化生产，拥有广阔的发展前景。
　　 本论文首先研究了分步法电沉积CIGS预置层薄膜的等离子体硒化工艺，其目的是通过优化等离子体硒化工艺，获得结晶质量好、成份合适的预置层，并制备出效率较高的CIGS薄膜电池。本论文通过改变硒化热处理硒源蒸发温度、衬底温度、等离子体功率、载气成分、工作气压等条件研究等离子体硒化对分步法电沉积预置层薄膜晶体结构和表面形貌的影响。经研究发现，提高等离子体硒化硒源温度和衬底温度，CIGS薄膜的衍射峰增强，晶粒尺寸与均匀性都有所改善。硒化过程中通入氢气与硒蒸气反应生成H2Se，并还原薄膜中In、Ga的氧化物，促进四元相的生成，以提高薄膜结晶质量。提高辉光功率可以增加等离子体电子密度，促进硒的裂解，晶粒尺寸增大，择优取向增强。过高的工作气压减小了到达薄膜表面的活性硒浓度，并因为电子温度的下降而影响Se蒸气裂解，使得薄膜结晶质量下降，两相分离仍然存在。
　　 为进一步降低CIGS薄膜电池的制备成本，并解决在蒸发制备铝电极过程中造成电池表面缺陷导致电池效率下降的问题，本论文研究了丝网印刷银胶电极制作工艺。在研究中发现，刮板与丝网的倾斜角度，按压刮板的力度，刮板与丝网印刷的相对方向，丝网与电池表面之间的距离等因素对制得的银胶电极形状、质量、性能等方面具有很大影响，为避免银电极栅线出现模糊、花纹、断裂、厚薄不均等现象必须适当调节以上工艺参数。实验中对各层材料进行了透过率、XRD、霍尔等测试，发现加热固化对各层的晶体结构以及光电性能影响不大，各层材料没有明显的因相互扩散而导致的电池效率下降，并在CIGS薄膜电池上丝网印刷了银电极，其收集电流性能符合制备电池的要求。
　　 另外基于等离子体硒化各种工艺制备了分步电沉积CIGS电池器件，并对电池性能进行了分析比较。研究发现，硒源温度升高，电池短路电流密度增大，但是Ga/(In+Ga)比率的减小，导致薄膜禁带宽度减小，影响了电池开路电压的提高；衬底温度升高，促进了Ga的扩散，增加了薄膜的禁带宽度，提高了电池开路电压，同时薄膜结晶质量的改善提高了增加短路电流密度；氢气比例升高，氢气促进了硒的裂解，并还原了薄膜中In、Ga的氧化物，使薄膜结晶质量得到改善，提高了电池短路电流密度；辉光功率增大，增加了Se蒸气裂解，促进预置层硒化反应，但过高的辉光气体能量使薄膜表面结晶状况变差，产生孔洞并导致了吸收层厚度的增加，提高了电池串联电阻，减小了短路电流；工作气压增加到100Pa，薄膜表面活性Se浓度减小，造成了Ga流失，导致薄膜禁带宽度减小，降低了电池开路电压，同时CIGS薄膜结晶择优程度下降，影响了电子收集，使短路电流密度有所减小。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 引言

第二节 分步法电沉积制备CIS/CIGS薄膜太阳电池的发展现状

第三节 本论文的研究意义及研究内容

第二章 实验方法及基本原理

第一节 分步电沉积CIG薄膜实验原理

第二节 实验设计

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验流程

第三节 薄膜的性能表征

第三章 分步电沉积CIG薄膜等离子体硒化处理

第一节 CuInGa金属预置层的制备

第二节 硒源蒸发温度对分步电沉积CIG薄膜预置层的影响

3.2.1 硒源蒸发温度对分步电沉积CIG薄膜晶体结构的影响

3.2.2 硒源蒸发温度对分步电沉积CIG薄膜表面形貌的影响

第三节 衬底温度对分步电沉积CIG薄膜预置层的影响

3.3.1 衬底温度对分步电沉积CIG薄膜晶体结构的影响

3.3.2 衬底温度对分步电沉积CIG薄膜表面形貌的影响

第四节 氢气含量对分步电沉积CIG薄膜预置层的影响

3.4.1 氢气含量对分步电沉积CIG薄膜晶体结构的影响

3.4.2 氢气含量对分步电沉积CIG薄膜表面形貌的影响

第五节 辉光功率对分步电沉积CIG薄膜预置层的影响

3.5.1 辉光功率对分步电沉积CIG薄膜晶体结构的影响

3.5.2 辉光功率对分步电沉积CIG薄膜表面形貌的影响

第六节 工作气压对分步电沉积CIG薄膜预置层的影响

3.6.1 工作气压对分步电沉积CIG薄膜晶体结构的影响

3.6.2 工作气压对分步电沉积CIG薄膜表面形貌的影响

第七节 本章小结

第四章 电沉积CIGS薄膜太阳电池的制备

第一节 CIGS薄膜太阳电池的典型结构

第二节 丝网印刷银电极

4.2.1 丝网印刷银电极实验材料及工艺

4.2.2 丝网印刷银电极实验结果

4.2.3 加热固化对电池各层及电池效率的影响

4.2.4 丝网印刷银电极制备CIGS电池

第三节 分步电沉积CIGS电池的制备

4.3.1 分步电沉积CIGS薄膜太阳电池制备

4.3.2 丝网印刷银胶电极制备分步电沉积CIGS电池

第四节 本章小结

第五章 结论与展望

第一节 主要结论

第二节 后续工作和展望

参考文献

致谢

个人简历