铜基化合物薄膜太阳能电池关键材料研究

【摘要】：铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池由于具有光电转化效率高、成本低、性能稳定等优点,被认为是极具发展前景的薄膜太阳能电池之一。CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为在玻璃衬底上依次生长Mo背电极、CIGS吸收层、CdS缓冲层、i-ZnO/ZnO:Al窗口层和Ni/Al栅电极,其核心是吸收层薄膜。CIGS吸收层的研究对制备高质量的薄膜太阳能电池尤为重要。目前,共蒸法和溅射后硒化法是制备CIGS薄膜的两种主要技术线路。共蒸法制备的小面积CIGS薄膜太阳能电池效率最高已经达到了20.3%,但该方法需要控制的参数较多,对设备要求严格,且大面积均匀性不好,不是很适合产业化的要求。溅射后硒化法是实现大规模产业化生产的最佳技术线路,因其所使用的设备和工艺都比较容易实现,大面积均匀性好。传统的溅射后硒化工艺大多采用硒化氢(H2Se)气体作为硒源,但H2Se气体有剧毒,易燃易爆,价格昂贵。另外,CdS作为CIGS太阳能电池的缓冲层,在制备过程中以及电池报废材料都对环境带来严重的污染,严重阻碍了CIGS太阳能电池的发展。 本文以固态硒粉作为硒源,采用溅射后硒化法制备了CIS和CIGS吸收层薄膜材料,主要研究了硒化工艺对薄膜质量的影响,通过优化吸收层的制备参数以获得高质量的吸收层薄膜,并采用化学水浴法(CBD)制备新型无镉缓冲层,研究了工艺条件对缓冲层材料的影响,优化缓冲层的制备工艺,为研制环保、高效、低成本的CIGS薄膜太阳能电池打下基础。论文的研究内容可概括为以下几个部分： 溅射后硒化法制备CIS吸收层：首先采用磁控溅射技术制备Cu-In预制层,然后以固态硒粉作为硒源,对预制层进行硒化制备CIS薄膜。通过扫描电镜(SEM)、特征X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和霍尔效应测试等材料表征技术对所制备CIS薄膜的形貌、成分、结构和电学性能等进行分析,重点研究了硒化过程中升温方式、硒化气氛和硒化方式对薄膜性能的影响。研究结果表明,最佳硒化条件为：采用三步升温法、在Ar气氛下、以“硒蒸汽法”硒化制备CIS薄膜。采用此工艺,在镀Mo玻璃衬底上采用Culn/In/Culn叠层方式的Cu-In预制层,制备出了具有非常理想的化学计量比的CIS薄膜,其Cu:In:Se原子比例为1.06：1：1.76,接近CIS的理想化学配比1：1：2。 溅射后硒化法制备CIGS吸收层：为制备在厚度方向上具有带隙梯度的CIGS薄膜,通过采用磁控溅射技术制备了具有CuGa/In/CuGa、CuGa/CuIn/CuGa以及CuInGa/CuIn/CuInGa叠层结构的Cu-In-Ga预制层,然后在最佳硒化工艺条件下硒化得到CIGS薄膜。研究结果表明：制备的薄膜为黄铜矿结构,且具有(112)晶面择优取向；采用CuInGa/CuIn/CuInGa叠层结构的Cu-In-Ga预制层制备CIGS薄膜,能有效地减少In元素的流失,从而抑制薄膜中Cu2-xSe化合物的含量,制备的CIGS薄膜化学配比更好、结晶度更高、表面粗糙度适宜,且电学性能较理想,其霍尔系数为+22.88cm3C-1,载流子浓度为+2.51×1017cm-3,载流子迁移率为19.8cm2V-1s-1,电阻率为3.11×104Ω·cm。 化学浴沉积法制备ZnS新型无镉缓冲层薄膜：以普通玻璃为衬底,以硫酸锌(ZnSO4)作为Zn2+源,硫脲(SC(NH2)2)作为S2-源,分别采用柠檬酸钠-氨水和联氨-氨水作为络合剂,研究了各工艺参数对于ZnS薄膜的形貌、结构以及光学特性等的影响,探索出了化学水浴法制备ZnS薄膜的最佳工艺参数：硫酸锌浓度为0.1M,联氨浓度为0.82M,氨水浓度为0.7M,硫脲浓度为0.75M,反应温度700C。通过对实验结果的分析,探讨了化学水浴法制备ZnS的沉积机理。 化学浴沉积法制备ZnSxSe1-x新型无镉缓冲层薄膜：首先以自制的硒代硫酸钠(Na2SeSO3)乍为硒源,硫脲作为S2-源,硫酸锌作为Zn2+源,联氨-氨水作为络合剂,通过调节硒代硫酸钠和硫脲的浓度沉积了具有不同x值的ZnSxSe1-x薄膜。研究了不同x值的ZnSxSe-x薄膜在形貌、结构和光学性能等方面的差异,实现了对ZnSxSe1-x薄膜带隙在2.80～3.77eV之间可控生长,这对优化CIGS太阳电池的结构、提高光电转换效率具有重要意义。 【关键词】：薄膜太阳能电池 CIGS薄膜 溅射后硒化法 化学水浴法 ZnS薄膜 ZnS_xSe_(1-x)薄膜
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• Contents12-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 太阳能电池概述14-16
• 1.1.1 太阳能光伏技术的研究背景及意义14
• 1.1.2 太阳能电池的发展现状14-16
• 1.2 薄膜太阳能电池的分类和特点16-21
• 1.2.1 硅基薄膜太阳能电池16-17
• 1.2.2 无机化合物半导体薄膜太阳能电池17-19
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池19-20
• 1.2.4 有机薄膜太阳能电池20-21
• 1.3 CIGS薄膜太阳能电池工作原理以及相关材料21-27
• 1.3.1 CIGS薄膜太阳能电池的工作原理22
• 1.3.2 CIGS薄膜太阳能电池各层材料简介22-27
• 1.4 本论文的研究目标和主要工作27-28
• 第二章 材料制备方法与表征手段28-37
• 2.1 实验器材28-29
• 2.1.1 实验设备28-29
• 2.1.2 主要化学试剂和材料29
• 2.2 材料制备方法29-31
• 2.2.1 磁控溅射29-30
• 2.2.2 化学水浴法30-31
• 2.3 材料表征技术31-37
• 2.3.1 扫描电子显微镜和特征X射线能谱31
• 2.3.2 X射线衍射31-33
• 2.3.3 X射线光电子能谱33
• 2.3.4 光致发光光谱33
• 2.3.5 紫外-可见分光光谱33-34
• 2.3.6 霍尔效应测试34-37
• 第三章 CuInSe_2与CuIn_(1-x)Ga_xSe_2吸收层的制备与性能研究37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 磁控溅射技术制备金属预制层37-39
• 3.3 硒化工艺39-41
• 3.4 CuInSe_2薄膜性能表征41-47
• 3.4.1 硒化气氛对CIS薄膜性能的影响41-44
• 3.4.2 硒化方式对CIS薄膜性能的影响44-47
• 3.5 CuIn_(1-x)Ga_xSe_2吸收层薄膜的制备和性能表征47-53
• 3.6 本章小结53-55
• 第四章 新型无镉缓冲层薄膜的制备与性能研究55-88
• 4.1 引言55-56
• 4.2 柠檬酸钠-氨水体系制备ZnS薄膜的研究56-67
• 4.2.1 柠檬酸钠-氨水体系制备ZnS薄膜56-57
• 4.2.2 工艺条件对ZnS薄膜性能的影响57-67
• 4.3 联氨-氨水体系制备ZnS薄膜的研究67-78
• 4.3.1 联氨-氨水体系ZnS薄膜的制备67-68
• 4.3.2 反应前驱液中不同Zn/S比对ZnS薄膜性能的影响68-71
• 4.3.3 氨水浓度对ZnS薄膜性能的影响71-74
• 4.3.4 联氨浓度对ZnS薄膜性能的影响74-76
• 4.3.5 联氨-氨水体系制备ZnS薄膜的结构与发光光谱76-78
• 4.4 CBD-ZnS薄膜的生长机理分析78-81
• 4.5 新型ZnS_xSe_(1-x)薄膜的制备与性能研究81-86
• 4.5.1 ZnS_xSe_(1-x)薄膜的制备81-83
• 4.5.2 ZnS_xSe_(1-x)薄膜的性能分析83-86
• 4.6 本章小结86-88
• 总结与展望88-91
• 特色与创新之处91-92
• 参考文献92-99
• 攻读硕士学位期间发表的论文99-101
• 致谢101

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