纳米薄膜光学常数的研究和高效率铜铟镓硒薄膜光伏器件的制备

摘要

二十世纪以来薄膜技术的发展带来诸多技术领域的突飞猛进，如电子半导体工艺、磁存储技术、光学涂层、发光二极管、薄膜光伏技术等等。其中薄膜技术的一项主要应用在光学领域，而光学领域的应用离不开对薄膜光学常数的了解，当薄膜厚度处于纳米量级时，其光学常数会展现出不同于常规体材料的光学性质，正是这些独特的光学、电磁学特性使其在现代光电子工业领域占有重要地位，对纳米薄膜光学常数的研究不仅有助于我们提高薄膜生长的质量，也有助于我们进一步挖掘薄膜的应用潜力。基于此，在本论文的前半部分我们在椭偏法的基础上发展出椭偏光度迭代法用于精确测定不同材料纳米薄膜的光学常数并研究光学常数与厚度或温度之间的关系。
　　薄膜技术的另一项重要应用在太阳能电池领域，铜铟镓硒薄太阳能电池作为第二代薄膜电池的代表，具有成本低、效率高、稳定性强等一系列优点，现已成为最具前景的太阳能电池之一。然而，现阶段制约其应用的主要因素还是其光电转换效率还没有高到可以使太阳能电池的经济效益可以与传统能源相比。因而在本论文的后半部分，我们致力于如何改进工艺制备出高效率的铜铟镓硒光伏器件。
　　本论文主要包括基于椭偏光谱法研究不同纳米薄膜的光学常数和高效率铜铟镓硒太阳能电池的制备两大方面内容。本论文共包含七章，具体内容如下:第一章前半部分从麦克斯韦方程组开始详细介绍了光在物质中的传播过程并引出椭偏仪的工作原理以及薄膜光学常数的几种主要测量方法;后半部分从当今世界能源危机出发系统介绍了光伏的诞生背景以及光伏的原理，并重点介绍了铜铟镓硒太阳能电池的发展历史及其独特的性质所带来的技术上的优势。
　　第二章在传统椭偏法的基础上发展了椭偏光度迭代法，通过该方法获得了不同厚度银薄膜的光学常数，在光学常数的基础上推出银薄膜的表面及体能量损失函数，进而分析了银薄膜表面等离激元与薄膜厚度之间的关系。
　　第三章通过椭偏光度迭代法获得了不同厚度的在空气中经过自然氧化的铜薄膜的等效光学常数，同时运用椭偏技术具体分析了此类薄膜的表面结构，包括表面粗糙层、氧化亚铜层以及铜层分别所占的厚度，并根据实验结果对铜薄膜在空气中自然氧化的机制作了分析。
　　第四章研究了硅表面覆盖有约300nmSiO2这一体系在0℃～600℃下的变温光学性质，通过使用Cauchy模型替代SiO2和用B-spline对Si衬底进行参数化得到了SiO2和Si在不同温度下的光学常数，并具体分析了SiO2的折射率温度系数随温度及波长的变化。
　　第五章通过控制生长过程中束源炉温度人为改变Ga梯度的过程中，研究并分析了生长工艺、Ga梯度形状和电池性能三者之间的关系。最终，通过使第一步中In源温度逐渐升高，Ga源温度逐渐降低，第三步前半段中In源温度逐渐降低，Ga源温度逐渐升高，形成人为控制的Ⅴ型带隙，使电池同时具有较好的开路电压、短路电流和FF，成功获得无减反层情况下17.5％效率的电池。
　　第六章首先采用不同厚度的Al2O3阻挡层证明了玻璃中的Na扩散进入CIGS吸收层的量过多或过少都会对电池性能尤其是开路电压产生不利影响，在本文所采用的实验条件下，1nm的Al2O3可以使扩散出的Na的量处于最佳水平。接着，我们尝试通过足够厚的Al2O3阻挡层将Na从玻璃向吸收层的扩散通道完全阻隔，再采用NaF后处理的方式添加Na，结果表明此种添加方式所制备的电池优于完全没有Na的情况，但是劣于通过从玻璃中扩散的方式添加Na。最后，我们将Al2O3阻挡层与NaF后处理技术同时使用，电池性能得到明显提高，最终通过3nm的Al2O3阻挡层配合33nm的NaF后处理技术同时使用使电池效率达到16.5％（无减反层）。
　　第七章对本论文的研究内容作详细总结。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 光在介质中的传播

1．2 光在界面处的反射

1．2．1 几个基本定义

1．2．2 p偏振光的反射

1．2．3 s偏振光的反射

1．2．4 Brewster角

1．3 椭偏术测量薄膜的原理

1．3．1 偏振光在薄膜中的传播

1．3．2 椭偏法概述

1．4 薄膜光学常数的测量

1．4．1 基于光谱的测量方法

1．4．2 数据分析法

1．5 本论文中关于薄膜光学常数的相关工作

1．6 光伏背景介绍

1．6．1 能源危机和光伏的诞生

1．6．2 太阳能电池机理介绍

1．6．3 太阳能电池的分类

1．7 铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池背景介绍

1．7．1 发展历史

1．7．2 材料结构与性质

1．7．3 CIGS的优势

1．8 本论文中关于铜铟镓硒薄膜光伏器件的工作

第二章 银薄膜表面等离激元研究

2．1 银薄膜研究背景

2．2 实验方法

2．3 银薄膜表面形貌分析

2．4 银薄膜光学常数的获得

2．4．1 Hadley方程

2．4．2 椭偏光度迭代法

2．4．3 银薄膜的光学常数

2．5 银薄膜表面等离激元分析

2．6 银薄膜表面等离激元研究小结

第三章 铜薄膜表面氧化层研究

3．1 铜薄膜研究背景

3．2 实验方法

3．2．1 薄膜制备

3．2．2 样品表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 厚度分析

3．3．2 有效光学常数

3．3．3 表面氧化层

3．4 铜薄膜表面氧化层研究小结

第四章 Si／SiO2体系变温光学特性研究

4．1 Si／SiO2体系研究背景

4．2 实验方法

4．3 数据分析

4．4 结果与讨论

4．5 Si／SiO2体系变温光学特性研究小结

第五章 镓梯度对铜铟镓硒太阳能电池的影响

5．1 主动法控制镓梯度的研究背景

5．2 实验方法

5．2．1 CIGS光伏器件制备系统

5．2．2 CIGS吸收层的制备

5．3 样品表征

5．3．2 二次离子质谱

5．4 结果与讨论

5．4．1 第三步生长速度对电池的影响

5．4．2 通过控制Ga梯度提高电池开路电压

5．4．3 通过控制Ga梯度提高电池短路电流

5．5 镓梯度对铜铟镓硒太阳能电池的影响研究小结

第六章 钠掺杂对铜铟镓硒太阳能电池的影响

6．1 钠掺杂在铜铟镓硒太阳能电池制备领域的研究背景

6．2 实验方法

6．2．1 样品制备

6．2．2 样品表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 通过氧化铝阻挡层控制玻璃中Na的扩散

6．3．2 氟化钠后处理技术对电池的影响

6．3．3 同时利用氧化铝阻挡层和氟化钠后处理技术制备高效率电池

6．4 钠掺杂对铜铟镓硒太阳能电池的影响研究小结

第七章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果