CIGS薄膜太阳能电池关键功能层的制备及表征

摘要

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池具有转换效率高、生产成本低、抗辐射性能强和弱光特性好等许多优点，是极具发展前景的薄膜太阳能电池之一。目前，小面积CIGS/CdS/ZnO异质结薄膜太阳能电池的最高效率达到20.3％，十分接近晶硅电池的水平。但是，从产业化发展水平的角度来看，CIGS电池较晶硅电池还存在较大的差距。制约CIGS电池商业化发展及应用的主要原因有以下两个方面：1）CIGS层的制备工艺极为复杂，大面积薄膜的均匀性较差；2）CIGS/CdS/ZnO多层膜构成的异质结结构，使得各层薄膜质量对电池性能的影响较大。
　　鉴于以上原因，本文从易于产业化发展的角度出发，提出了采用磁控溅射CIGS四元合金靶一步制备CIGS薄膜，并对溅射过程中相关工艺参数进行了系统性的研究；与此同时，采用化学水浴法和磁控溅射法分别对缓冲层CdS薄膜和窗口层ZnO薄膜进行了优化研究，为CIGS器件的开发奠定基础。具体研究内容如下：
　　1)采用磁控溅射CIGS四元合金靶一步制备CIGS薄膜，系统地研究了衬底温度、溅射功率和溅射气压对CIGS薄膜性能的影响。结果表明，该方法制备的CIGS薄膜均匀致密,与靶材具有一致的黄铜矿相结构。薄膜的微观形貌及化学成分比可以通过改变溅射参数进行调控，在衬底温度、溅射功率及溅射气压都较高的情况下，薄膜的晶粒尺寸较大、轮廓明显，具有较强的(220)/(204)择优取向，且薄膜的成分接近化学计量比。
　　2)采用化学水浴法沉积CdS薄膜，对相关工艺进行了研究。结果表明，化学水浴法可以在较短的时间内沉积出致密均匀的CdS薄膜。经过CdCl2膜的晶化程度有所增强，光学性能得到提升。
　　3)采用磁控溅射法制备双层ZnO薄膜，系统地研究了溅射功率和衬底温度对ZnO:Al薄膜性能的影响。结果表明，适当的溅射功率和衬底温度有利于获得光电性能优良的ZnO:Al薄膜。
　　4)在对各层工艺优化的基础上，成功制备出具有光电转换效率的CIGS器件。由此可以看出，单一靶源磁控溅射法是一种非常有潜力的低成本制备工艺。

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第一章 绪 论

1.1 太阳能电池简介

1.2 CIGS薄膜太阳能电池简介

1.3 本论文研究的内容

第二章 实验方法

2.1 光吸收层CIGS薄膜的制备

2.2 缓冲层CdS薄膜的制备

2.3 窗口层ZnO的制备

2.4 材料的测试方法

第三章 光吸收层CIGS薄膜的实验结果与讨论

3.1 衬底温度的选择

3.2 溅射功率对CIGS薄膜的影响

3.3 溅射气压对CIGS薄膜的影响

3.4 关于CIGS薄膜晶体生长现象的探讨

3.5 本章小结

第四章 缓冲层CdS及窗口层ZnO的实验结果与讨论

4.1 缓冲层CdS薄膜实验结果分析

4.2 窗口层i-ZnO和ZnO:Al薄膜实验结果分析

4.3 本章小结

第五章 CIGS薄膜太阳能电池的制备及性能研究

5.1 引言

5.2 CIGS薄膜太阳能电池的制备

5.3 CIGS太阳能电池实验结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果