本文選題：銅銦鎵硒靶材　切入點：熱壓燒結　出處：《清華大學》2015年博士論文

【摘要】：Cu(In_1-xGax)Se_2薄膜太陽電池因其優(yōu)良的性能已成為最具產業(yè)化前景的電池之一。采用濺射CIGS四元陶瓷靶材后退火的工藝,可獲得大面積均勻且性能穩(wěn)定的CIGS吸收層和電池。該工藝是一種適合產業(yè)化的電池生產工藝方法。該工藝的關鍵是高質量CIGS靶材的獲得。為獲得高質量CIGS靶材,本文系統(tǒng)研究燒結工藝條件對靶材性能的影響,并深入分析分層等燒結缺陷的產生機理。在高質量CIGS靶材制備基礎上,提出并研究了原位摻Na CIGS靶材的制備工藝;創(chuàng)新性提出一種濺射富Se CIGS靶材加無Se源熱處理二步法制備CIGS吸收層和CIGS電池的工藝思想,并研究了富Se CIGS靶材的制備工藝。本文主要研究內容和成果如下:采用熱壓燒結Cu_2Se、In_2Se_3和Ga2Se3混合粉末的工藝制備CIGS靶材,深入系統(tǒng)地研究了粉末球磨時間、燒結溫度、燒結壓力和燒結時間等工藝參數(shù)對CIGS靶材密實率、成分、相組成和斷面形貌等性能參數(shù)的影響。通過優(yōu)化實驗工藝,獲得最高密實率達96.4%無缺陷的CIGS靶材。針對燒結過程中產生分層、開裂和表面剝落等燒結缺陷的問題,深入分析了燒結缺陷產生的內在機制,并提出燒結缺陷產生的機理模型:燒結過程中產生的低熔點相在燒結壓力的作用下沿CIGS晶界發(fā)生流動性擴散,當液相通過流動擴散且相互貫連時靶材發(fā)生沿晶界的破壞。采用熱壓燒結Cu_2Se、In_2Se_3、Ga2Se3和NaF混合粉末的工藝實現(xiàn)原位摻Na CIGS靶材的制備。研究發(fā)現(xiàn),Na元素具有提高CIGS靶材結晶性的作用,在NaF添加量為0.1?0.5 mol%的成分范圍內獲得高密實率的摻Na CIGS靶材,該成分范圍覆蓋了CIGS吸收層最優(yōu)Na添加量。制備得到的摻Na CIGS靶材最高密實率達96.4%。分析了過量的Na致CIGS靶材分層的作用機理:Na以Na2Sex形式在CIGS晶界上富集并導致CIGS晶界的弱化,進而使燒結過程中的液相更容易發(fā)生流動擴散而誘發(fā)靶材分層。通過熱壓燒結CIGS粉末和Se粉末實現(xiàn)了富Se CIGS靶材的制備。發(fā)現(xiàn)Se的加入起到輔助燒結的作用,制備得到的富Se CIGS靶材最高密實率達到98.3%。通過濺射富Se CIGS靶材后在高純N2氣氛中退火的方法實現(xiàn)了無Se氣氛條件下制備具有富Se成分和理想電學性能的CIGS吸收層,并制備得到CIGS電池。本文初步研制得到的CIGS電池的最高光電轉化效率達8.95%。
[Abstract]:Cu(In_1-xGax)Se_2 thin film solar cells have become one of the most promising batteries due to their excellent properties. A large area uniform and stable CIGS absorbent layer and battery can be obtained. This process is a suitable process for the production of batteries. The key to this process is to obtain high-quality CIGS targets. In this paper, the effects of sintering process conditions on the properties of targets are systematically studied, and the mechanism of sintering defects such as delamination is analyzed. Based on the preparation of high quality CIGS targets, the preparation process of in situ doped Na CIGS targets is proposed and studied. A novel two-step method for fabricating CIGS absorbing layer and CIGS battery by sputtering se rich CIGS target and non se source heat treatment was proposed. The main contents and results of this paper are as follows: the preparation of CIGS targets by hot-pressing sintering of Cu2SeInSe _ 3 and Ga2Se3 mixed powders was studied systematically, and the milling time and sintering temperature of the powders were studied systematically. The effects of sintering pressure and sintering time on the properties of CIGS target, such as compactness, composition, phase composition and section morphology, were studied. The CIGS target with the highest compaction rate of 96.4% was obtained. In view of the problems of sintering defects such as delamination, cracking and surface exfoliation during sintering, the inherent mechanism of sintering defects was deeply analyzed. The mechanism model of sintering defects is put forward: the fluidity diffusion of low melting point phase in sintering process along CIGS grain boundary under the action of sintering pressure. When the liquid phase diffuses through the flow and intersects with each other, the target material is destroyed along the grain boundary. The in situ doped Na CIGS target is prepared by hot pressing sintering Cu2Se2SeIn2Se3Ga2Se3 and NaF mixed powder. It is found that the Na element can improve the crystallinity of the CIGS target. The amount added in NaF is 0. 1? In the range of 0.5 mol%, Na CIGS doped target with high compactness was obtained. The optimum amount of Na in the CIGS absorbent layer is covered by this composition range. The highest density ratio of Na doped CIGS target is 96.40.The mechanism of CIGS target delamination induced by excessive Na is analyzed, which is enriched on the CIGS grain boundary in the form of Na2Sex, which leads to the weakening of CIGS grain boundary. Thus, the liquid phase in the sintering process is more prone to flow diffusion and induce target delamination. The preparation of se rich CIGS target is realized by hot pressing sintering CIGS powder and se powder. It is found that the addition of se plays an auxiliary role in sintering. The highest compactness of the prepared se rich CIGS target is up to 98.3. By sputtering the se rich CIGS target and annealing in high purity N 2 atmosphere, the CIGS absorbing layer with rich se composition and ideal electrical properties can be prepared under the condition of no se atmosphere. The CIGS battery was prepared and the maximum photoelectric conversion efficiency of the CIGS battery was 8.95%.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ174.1

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本文編號：1700111