【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石能源的日益緊缺和全球環(huán)境的不斷惡化,世界各國(guó)都在積極發(fā)展太陽(yáng)能清潔能源。太陽(yáng)能電池可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,是太陽(yáng)能利用的最直接的途徑之一。薄膜太陽(yáng)能電池因具有材料用料少和易于制備的優(yōu)點(diǎn),成為非常有競(jìng)爭(zhēng)力的一類(lèi)太陽(yáng)能電池。新近興起的硒化銻(Sb_2Se_3)薄膜太陽(yáng)能電池因自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注,其光電轉(zhuǎn)換效率在近四年內(nèi)提升到了6.5%,是非常有應(yīng)用前景的薄膜太陽(yáng)能電池材料之一,國(guó)家能源局《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》已將Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池列為需要集中攻關(guān)的新型高效低成本光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)之一。目前制備Sb_2Se_3薄膜的方法有很多,如化學(xué)水浴沉積法、快速熱蒸發(fā)法和旋涂法等,而作為工業(yè)應(yīng)用薄膜制備常用的方法之一——磁控濺射法的研究卻很少。Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)盡管當(dāng)前受到廣泛關(guān)注,但由于高質(zhì)量的Sb_2Se_3難以制備,使得目前其效率還比較低,磁控濺射法由于濺射出的Sb_xSe_y能量高,可有效降低Sb_2Se_3薄膜的結(jié)晶溫度,從而將目前熱蒸發(fā)典型的300℃晶體生長(zhǎng)溫度進(jìn)一步降低,從而有望獲得高質(zhì)量的Sb_2Se_3薄膜材料�；诔浞值奈墨I(xiàn)調(diào)研和Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域存在的上述問(wèn)題,本研究論文圍繞磁控濺射法制備Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)展了一系列的研究和探討:(1)基于課題組金屬后硒化法制備銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池的經(jīng)驗(yàn),首先嘗試磁控濺射金屬Sb靶制備金屬預(yù)制層,然后在快速退火爐中加硒粉進(jìn)行硒化的方法制備Sb_2Se_3薄膜。通過(guò)調(diào)節(jié)退火過(guò)程的退火溫度,得到純相且表面結(jié)晶性良好Sb_2Se_3薄膜,構(gòu)筑不同退火溫度下的Sb_2Se_3薄膜底襯結(jié)構(gòu)的薄膜太陽(yáng)能電池,最佳硒化溫度下器件的效率為0.68%,其對(duì)應(yīng)的短路電流密度可達(dá)到10.41 mA/cm~2。電感耦合等離子體光譜儀(ICP)測(cè)試結(jié)果表明,金屬Sb后硒化薄膜易呈富Sb態(tài),不宜于制備高效的Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池。(2)合金濺射法具有易保證所制備薄膜成份與靶材組分基本一致的優(yōu)點(diǎn),基于此,采用磁控濺射Sb_2Se_3合金靶制備Sb_2Se_3薄膜,通過(guò)在濺射過(guò)程中對(duì)基板進(jìn)行不同溫度的加熱,探索熱誘導(dǎo)下濺射Sb_2Se_3薄膜結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律,在一系列表征手段,如掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜以及電感耦合等離子體光譜儀(ICP))的數(shù)據(jù)分析下研究不同溫度誘導(dǎo)生長(zhǎng)的Sb_2Se_3薄膜的光學(xué)特征和電學(xué)性能。研究結(jié)果表明:不同的襯底溫度對(duì)薄膜晶粒尺寸、致密性、晶面取向和原子振動(dòng)有較大影響,當(dāng)襯底溫度為350℃時(shí)薄膜的性能較好。在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑底襯結(jié)構(gòu)為(SLG/FTO/Sb_2Se_3/ZnO/ITO/Ag)的太陽(yáng)能電池,初步獲得0.98%的器件光電轉(zhuǎn)化效率。(3)磁控濺射Sb_2Se_3二元合金靶制備薄膜吸收層時(shí),我們發(fā)現(xiàn)基底未被加熱時(shí),制備的非晶Sb_2Se_3薄膜呈富Se態(tài)。富Se的薄膜能有效抑制深缺陷的形成,促進(jìn)淺缺陷的形成。因此我們探索了Sb_2Se_3薄膜不同退火溫度條件下其結(jié)晶情況和光電性能的變化規(guī)律,通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜以及電感耦合等離子體光譜儀(ICP)對(duì)不同溫度下沉積的Sb_2Se_3薄膜的形態(tài)、組分進(jìn)行表征,在退火溫度為400℃時(shí)薄膜的物理化學(xué)性能達(dá)到最佳,通過(guò)構(gòu)筑最佳退火條件下的底襯結(jié)構(gòu)(SLG/Mo/Sb_2Se_3/ZnO/ITO/Ag)的Sb_2Se_3薄膜太陽(yáng)能電池,并測(cè)試器件的光電轉(zhuǎn)換性能,得到最佳器件的轉(zhuǎn)換效率為3.09%,開(kāi)路電壓為343 mV,最大電流密度為19.8 mA/cm~2,填充因子為45.6%,其在波長(zhǎng)為550 nm處的外量子效率可達(dá)到89%。
【圖文】：

衡結(jié)電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)-qV，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與光生電流方向相反的正向電流與 p-n結(jié)的電場(chǎng)相補(bǔ)償，使勢(shì)壘降低為 qVD-qV，當(dāng)光生電流與正向 p-n 結(jié)電流達(dá)到相等時(shí)，p-n 結(jié)兩端就生成了一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差，即光生電壓。另外，光照使 p 區(qū)和 n 區(qū)的載流子濃度增加，從而導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)的分裂，EFn-EFp=qV，在 p-n 結(jié)處于開(kāi)路的情況下，光生電壓 qV 即為開(kāi)路電壓。當(dāng)外電路短路的情況下，，p-n 結(jié)所產(chǎn)生正向電流為零，外電路的電流為短路電流，這就是理想情況下 p-n 結(jié)的光電流[1]。

圖 1-2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展展最好的晶體硅太陽(yáng)能電池，薄膜太陽(yáng)能電池具有以同的光電轉(zhuǎn)換效率，薄膜太陽(yáng)能電池只需幾微米甚至幾耗低，與晶體硅太陽(yáng)能電池高耗能的晶體拉制、切割工僅需要化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PCVD備工藝，制造的能耗大大降低；(3) 質(zhì)量輕，由于材料用中可設(shè)計(jì)為易折疊攜帶的器件，應(yīng)用空間彈性大[2]。次介紹幾種無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，包括硅基薄膜太陽(yáng)能量子點(diǎn)薄膜太陽(yáng)能電池（以 PbS 太陽(yáng)能電池為例）和有鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池為例）等。陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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1 薛丁江;石杭杰;唐江;;新型硒化銻材料及其光伏器件研究進(jìn)展[J];物理學(xué)報(bào);2015年03期

本文編號(hào)：2633128