銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的研究

發(fā)布時間：2019-09-26 06:47

【摘要】：太陽能發(fā)電是提供清潔可再生能源的有效途徑之一。銅銦鎵硒(Cu(In,Ga)Se2,簡稱CIGSe)薄膜太陽能電池屬于第二代太陽能電池。由于CIGSe材料本身具有很高的光吸收系數(shù),其電池器件光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定壽命長、弱光性好以及抗輻射性能強(qiáng),因此很有希望成為新一代大規(guī)模使用的太陽能電池材料。目前,小面積CIGSe薄膜太陽能電池器件的最高效率已經(jīng)達(dá)到20.8%。但是,制備工藝復(fù)雜、設(shè)備成本高以及原料使用率低,阻礙了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此,如何制備高效率的CIGSe太陽能電池與降低其總體成本,成為了研究該領(lǐng)域的兩個主要方向。本論文的研究內(nèi)容主要分為三部分。第一部分中,對如何制備高效率的CIGSe薄膜太陽能電池進(jìn)行了研究。通過“三步法”多元共蒸發(fā)工藝制備CIGSe吸收層,得到了高質(zhì)量的薄膜。同時,對構(gòu)成電池器件的其他各層薄膜材料的制備工藝進(jìn)行了研究和優(yōu)化。然后,利用各種表征手段測量并研究其物理性質(zhì),以此為依據(jù)優(yōu)化了電池的制備。第二部分中,通過對Mo薄膜底電極退火效應(yīng)的研究,分析了該方法對Mo薄膜本身、CuInSe2(簡稱CISe)薄膜以及整個電池器件的影響。第三部分中,研究了如何通過一種非真空工藝來降低制備成本。采用“熱注入法”制備Cu(In,Ga)S2(簡稱CIGS)納米顆粒并刮涂其墨水的方法,經(jīng)過硒化,得到了Cu(In,Ga)(S,Se)2(簡稱CIGSSe)薄膜。分析并測試了該薄膜,以其為吸收層制備了具有光伏效應(yīng)的電池器件。取得了主要成果包括： (1)利用實驗室自主設(shè)計研發(fā)的真空設(shè)備,制備了效率達(dá)到17.67%的小面積CIGSe薄膜太陽能電池。采用“三步法”多元共蒸發(fā)工藝路線,制備了高質(zhì)量的CIGSe多晶薄膜。通過X射線衍射儀(XRD)對該薄膜進(jìn)行測試,表明該薄膜的物相為單相的CIGSe多晶。結(jié)合能量色散X射線光譜儀(EDX)的分析結(jié)果,表明所制備的CIGSe多晶薄膜的組分和成相均符合設(shè)計預(yù)期。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對該薄膜形貌進(jìn)行表征,表明得到了尺寸大于1μm的CIGSe晶粒。制備且優(yōu)化了包括Mo薄膜底電極、CdS薄膜緩沖層、摻Al的ZnO薄膜透明導(dǎo)電極等各層薄膜。其中,制備的雙層結(jié)構(gòu)的Mo薄膜底電極具有良好的附著力和導(dǎo)電性,方塊電阻為0.2305Ω/sq。制備的CdS緩沖層薄膜的厚度約為50nm。制備的摻A1的ZnO透明導(dǎo)電薄膜具有良好的透光性和導(dǎo)電性,電阻率為7.2×10-4Ω·cm。制備的CIGSe薄膜太陽能電池器件結(jié)構(gòu)為“鈣鈉玻璃(簡稱SLG)/Mo薄膜底電極/CIGSe薄膜吸收層/CdS薄膜緩沖層／本征ZnO薄膜／摻A1的ZnO薄膜透明導(dǎo)電極/Ni-Al-Ni頂電極”。所制備的小面積(0.55cm2) CIGSe薄膜太陽能電池的最高效率達(dá)到17.67%。其開路電壓(Voc)為697mV,短路電流密度(Jsc)為33.8mA/cm2,填充因子(FF)為75%。該電池的品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到了國內(nèi)一流的水平。 (2)研究了Mo薄膜的退火效應(yīng),以退火后的Mo薄膜為底電極制備的CISe, CIGSe電池器件,效率都得到了提高。通過研究雙層結(jié)構(gòu)的Mo薄膜的退火效應(yīng),得到了導(dǎo)電性更好且與基層SLG附著力更強(qiáng)的Mo薄膜底電極,方塊電阻最低可達(dá)0.1487Ω/sqo實驗中,為了減少的不確定因素,先從無鎵(Ga)元素?fù)诫s的CISe薄膜及其預(yù)制層In2Se3(簡稱ISe)薄膜入手研究。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),以退火后的Mo薄膜為襯底沉積的ISe和CISe薄膜,晶粒取向都被改變了。相對于(112)取向而言,(220/204)取向得到了增強(qiáng)。而且,以退火后的Mo薄膜為底電極制備的CISe電池器件,效率得到了提高。效率從原先的10.54%提高到11.47%,其主要原因是FF從70.09%提高到了75.81%。將該方案引入到含Ga的CIGSe薄膜體系中。以退火后的Mo薄膜為底電極,同樣也提高了CIGSe薄膜太陽能電池的效率,效率從原先的13.78%提高到14.29%。將該方案引入到單層結(jié)構(gòu)的Mo薄膜底電極情況中,大幅提高了Mo薄膜的附著力和導(dǎo)電性,方塊電阻由0.470Ω/sq降低至0.147Ω/sq。以退火后的單層Mo薄膜為底電極,制備的CISe薄膜太陽能電池的效率也得到了大幅的提高,效率從原先的3.45%提高到9.06%。實驗結(jié)果證明,以退火后的Mo薄膜為底電極,所制備的薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率都得到了一定的提升。 (3)研究了非真空工藝制備CIGSSe薄膜太陽能電池的方案,得到了具有光伏效應(yīng)的小面積CIGSSe薄膜太陽能電池。利用“熱注入法”制備了CIGS納米顆粒。經(jīng)過XRD對該納米顆粒進(jìn)行測試,表明其物相基本為單相的CIGS。結(jié)合EDX的分析結(jié)果,表明所制備的CIGS納米顆粒的組分基本符合設(shè)計預(yù)期。通過透射電子顯微鏡(TEM)對該納米顆粒進(jìn)行表征,表明其尺寸約10～30nm。紫外-可見光譜(UV-VIS)的分析表明,該CIGS納米顆粒的禁帶寬度約為1.3eV。使用已硫醇溶液將其均勻分散,得到了CIGS納米墨水。再通過刀刮法,就得到了CIGS預(yù)制層薄膜。對CIGS預(yù)制層薄膜的硒化工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究。發(fā)現(xiàn)硒源區(qū)溫度300℃,樣品區(qū)溫度520℃C,退火時間10分鐘為最佳參數(shù)。對硒化后的薄膜進(jìn)行XRD和EDX分析,表明其為單相的且組分基本符合設(shè)計預(yù)期的CIGSSe薄膜。以其為吸收層,制備出了效率為0.92%的小面積電池器件。通過重新設(shè)計和優(yōu)化預(yù)制層的制備工藝,即利用富Cu相的CIGS輔助晶粒生長的機(jī)制,得到了連續(xù)性好、平整度高且晶粒較大的CIGSSe薄膜。并將電池器件的效率提高到了1.3%。我們還利用“熱注入法”制備了銅鋅錫硫(Cu2ZnSnS4,簡稱CZTS)納米顆粒。TEM顯示其尺寸約為10～30nm。通過XRD和EDX對其物相和組分進(jìn)行表征,再經(jīng)過拉曼光譜進(jìn)一步證實(336cm-1的主峰),表明所制備的產(chǎn)物為CZTS納米顆粒。本文最后,簡單地介紹了博士期間的其他方面的成果。研究了“1111”體系鐵基超導(dǎo)體的摻雜效應(yīng),主要包括：(1)Zn摻雜對電子型LaFe0.925-yCo0.075ZnyAsO體系超導(dǎo)性的抑制；(2) SmCoAsO的磁性質(zhì)。此外,還研究了EuCuAs單晶的生長及其磁學(xué)性質(zhì),并描繪了其磁相變圖。
【圖文】：

總?cè)萘?演變圖,光伏,世界