【摘要】：本文從光伏行業(yè)發(fā)展概況、CIGS薄膜電池的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀分析入手,介紹了相關的檢測設備及其工作原理,對各層材料特性、制備方法作了一定的對比分析,選擇用磁控濺射CuIn0.7Gao.3Se2四元合金靶材法制備CIGS薄膜的吸收層材料和后硒化工藝,探索了一步法制備CIGS吸收層薄膜的可行性,制備的glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO薄膜電池的光電轉化效率為2.08%。論文獲得了以下主要結果： 1、磁控濺射法制備底電極Mo薄膜的工藝研究。本文采用兩步法(高氣壓(2pa)高功率(130W)濺射約100nm,再用低氣壓(0.5pa)高功率(130W)濺射沉積約900-1000納米)制備的Mo層具有良好的電阻率,魚鱗狀的結構,附著力較好,方塊電阻為0.26Ω2/o,膜厚1080nm,電阻率達到9.8×10-5Ω·cm。 2、詳細研究了用磁控濺射四元合金CIGS靶制備吸收層時,襯底溫度、工作氣壓、快速退火硒化等工藝改變對吸收層薄膜的晶體結構、禁帶寬度和表面形貌的影響。實驗證明：(1)隨著襯底溫度的升高,(112)峰的強度變強,半高寬變窄,薄膜的結晶質(zhì)量有所改善,樣品的化學計量比接近靶材的固有成分,貧銅與貧硒的溫度效應不明顯。(2)隨著工作氣壓的增加,出現(xiàn)貧銅現(xiàn)象；與Sigmund提出的Cu元素的濺射產(chǎn)率比In和Ga的低的理論一致,但是薄膜的結晶質(zhì)量隨著壓力的增加變差,XRD衍射峰的半高寬變寬；AFM和SEM圖表明薄膜的表面晶粒逐漸減小,平均粗糙度從11.36nm降至5.12nm,表面較為平整,逐漸致密。由于小晶粒中存在更多的晶界,會增加載流子的復合,使短路電流變小,從而影響電池的效率。禁帶寬度隨著壓力的增加,從1.0eV增加到1.32eV,實現(xiàn)了帶隙的調(diào)節(jié)。(3)一步法制備CIGS吸收層薄膜容易出現(xiàn)貧硒現(xiàn)象,可以采用快速退火爐硒化來增加薄膜中硒含量,研究發(fā)現(xiàn)：硒化后的薄膜結晶性更好,表面平整,單晶純相結構。Raman譜中發(fā)現(xiàn)位于約176cm-1處的最強峰為Al模式,峰形較弱且有點寬化的特征峰在215-220cm-1處,對應于黃銅礦的B2模式。綜合各方面的條件,0.9Pa下常溫濺射,再用10mg Se粉硒化所獲得的薄膜組分均一,結晶質(zhì)量較高,表面較為平整,適合制備CIGS薄膜電池。 3、磁控濺射制備透明導電膜AZO窗口層的研究。分析了氧分壓、襯底溫度、工作氣壓和濺射功率變化對窗口層的方塊電阻、電阻率、膜厚、透過率等的影響。結果表明：工作壓力0.8Pa,濺射功率225W,襯底溫度為225℃,AZO薄膜具有最低電阻率9.8×10-4Ω·cm,方塊電阻為14歐姆,可見光區(qū)域(305-800nm)平均透過率達到85%,禁帶寬度3.32eV。 4、磁控濺射與化學水浴法制備CdS層的對比研究。通過SEM、透射光譜手段作了表面形貌、光學透過率和電學禁帶寬度的對比研究。發(fā)現(xiàn)70℃時化學水浴法生長的CdS薄膜可見光范圍內(nèi)的平均透過率達到80%以上,禁帶寬度為2.3eV左右,薄膜晶粒較大,表面光滑平整。磁控濺射制備CdS薄膜的平均透過率略低于80%,禁帶寬度為2.3eV左右,晶粒較小。雖然磁控濺射制備CdS的電性能基本滿足制備CIGS電池的需求,具備一定的可行性,但是可能污染真空室,在多層膜制備中引起交叉反應。而水浴法生長CdS薄膜所用設備簡單、環(huán)境友好,還可以避免濺射法導致的膜面的損傷和不平整,性能穩(wěn)定,更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。本論文選擇化學水浴法制備CdS薄膜。 5、制備了glass/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO薄膜電池,通過I-V曲線測試,得到的電學性能為：25℃、AM1.5的條件下,制備的電池的單元面積是0.07cm2,電池的效率是2.08%,開路電壓是294mV,短路電流是21.6mA/cm2,填充因子是32%。結合SEM截面圖和量子效率曲線,分析了電池的效率損失和量子效率損失原因。主要有四點原因：(1)吸收層晶粒太小。從電池截面來看晶粒不清晰,沒有明顯的縱向晶界,其次吸收層的厚度僅為750nm,而高效電池的吸收層厚度約2微米。(2)緩沖層CdS的厚度太厚。高效率的CIGS電池的緩沖層的厚度是40-50nm,本文制備的緩沖層厚度約為80nm,導致電池的開路電壓變小。(3)窗口層太薄,常見的窗口層厚度是750nm左右,我們所制備的窗口層的厚度大約350nm。(4)CIGS為單晶純相結構。研究表明多晶結構的CIGS吸收層制備的電池轉換效率明顯優(yōu)于單晶結構的電池性能。一方面是因為多晶的結構晶界清晰,整體是近2微米厚的晶粒,晶界可以吸雜,從而減少少數(shù)載流子在界面附近的湮滅現(xiàn)象,提升其導電性能；另一方面是多晶的CIGS薄膜的表面因為貧銅結構而生成某種缺陷層ODC,這種缺陷層導致價帶偏移而形成大量的空穴勢壘,可阻止CIGS晶粒內(nèi)的空穴擴散,減少界面復合,提升吸收層電性能。(5)沒有制作減反層MgF2。減反層可以增加光的入射率,提升轉換效率。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4

【參考文獻】

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本文編號：2323128