基于CIGS太阳能电池的吸收层和缓冲层的研究与制备

【摘要】：Cu(In,Ga)Se2(CIGS)太阳能电池是一种较有发展前途的薄膜太阳能电池,是目前国际研究的热点之一。但是,这种薄膜电池在制备中,存在吸收层硒化后配比失调、薄膜结晶不良,缓冲层含Cd以及整个制备工艺难以实现全溅射法等问题。本文主要研究CIGS薄膜电池的主要膜层--吸收层和无Cd缓冲层的溅射法制备工艺,以期为全溅射法制备CIGS薄膜电池打下基础,论文的主要工作和研究成果如下： 1.综述了太阳能电池,重点研究了化学配比、晶格结构、异质结能带结构等对CIGS薄膜性能的影响。针对现有技术吸收层在硒化过程中极易产生Cu2xSe二元相影响薄膜择优取向以及缓冲层含有Cd有害元素这两大问题,研究用CIGS四元合金靶采用射频溅射并结合后续退火工艺来制备吸收层,以InxSy或ZnS的溅射薄膜作为缓冲层来制备无镉缓冲层,探索全溅射法制备CIGS薄膜太阳能电池的工艺途径。 2.系统地研究了衬底温度、溅射功率对CIGS吸收层组织结构、化学配比的影响。采用阶段升温真空退火法和射频溅射,在衬底温度100℃,溅射功率150W(功率密度为5.3W/cm2)的条件下,制备得到(112)峰择优度达0.9977, Cu(In+Ga)配比为0.89, Ga/(In+Ga)配比为0.253,接近单晶的CIGS薄膜,适合于制备高效率CIGS太阳能电池,研究成果优于目前报导的水平,发表于EI源期刊。 3.采用溅射技术分别制备了InxSy、ZnS两种无镉型CIGS薄膜电池缓冲层。分析比较了相同功率条件下射频溅射和直流溅射对InxSy薄膜表面形貌、元素组分和光学特性的影响,深入研究了衬底温度、溅射功率、Ar气压强、退火温度等工艺参数对ZnS薄膜结晶度、应力、与CIGS薄膜晶格失配度以及光学性质的影响。在射频功率80W(功率密度2.8W/cm2)的条件下制得光学禁带宽度为2.75eV的InxSy无镉型太阳能电池缓冲层。在衬底温度250℃,Ar气压强1Pa,溅射功率200W(功率密度7.1W/cm2),退火温度400℃时制备得到衍射峰最强,结晶度最好的ZnS薄膜；在衬底温度350℃,Ar气压强0.7Pa,溅射功率300W(功率密度10.6W/cm2),退火温度400℃时制备得到晶格失配度最小的ZnS薄膜。同时也研究了退火温度对ZnS薄膜结晶和光学性质的影响,400℃退火后ZnS薄膜光学禁带宽度为3.47eV,退火温度超过400℃后禁带宽度下降,研究成果对以后优化CIGS/ZnS异质结退火温度有指导意义。 【关键词】：CIGS太阳能电池 溅射法 CIGS薄膜 无镉缓冲层 In_xS_y ZnS
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 图录12-16
• 表录16-18
• 1 综述18-63
• 1.1 太阳能电池简介18-27
• 1.1.1 太阳能电池历史18-19
• 1.1.2 太阳能电池原理19-27
• 1.1.2.1 光生伏特效应19-22
• 1.1.2.2 太阳电池伏安特性曲线与等效电路22-25
• 1.1.2.3 太阳能电池性能表征25
• 1.1.2.4 量子效率谱25-27
• 1.2 CIGS薄膜太阳能电池27-61
• 1.2.1 CIGS薄膜电池历史及其核心薄膜层的发展27-61
• 1.2.1.1 CIGS电池吸收层30-42
• 1.2.1.2 CIGS电池缓冲层42-55
• 1.2.1.4 CIGS电池研究现状55-61
• 1.3 研究动机61-62
• 1.4 论文的主要工作及结构安排62-63
• 2 CIGS吸收层制备与性能研究63-113
• 2.1 CIGS材料特性63-69
• 2.2 影响CIGS吸收层薄膜性能的主要因素69-94
• 2.2.1 Cu/(In+Ga)组分比影响70-77
• 2.2.1.1 CIGS相图71-73
• 2.2.1.2 CIGS电学参数73-76
• 2.2.1.3 CIGS薄膜第二相76-77
• 2.2.2 Ga/(In+Ga)组分比影响77-86
• 2.2.2.1 CIGS晶格常数78-79
• 2.2.2.2 CIGS能带结构79-86
• 2.2.3 Na掺杂影响86-88
• 2.2.4 CIGS/缓冲层异质结能带结构88-94
• 2.2.4.1 CIGS薄膜电池异质结构成88-91
• 2.2.4.2 能带边失调值91-92
• 2.2.4.3 贫Cu的CIGS表面层92-94
• 2.3 CIGS薄膜制备与性能研究94-111
• 2.3.1 CIGS薄膜的制备94-98
• 2.3.2 衬底温度对薄膜性能的影响98-106
• 2.3.3 溅射功率对薄膜性能的影响106-111
• 2.4 本章小结111-113
• 3 In_2S_3缓冲层制备与性能研究113-129
• 3.1 In_2S_3薄膜材料特性113-117
• 3.2 In_2S_3薄膜制备与性能研究117-128
• 3.2.1 射频溅射功率对薄膜性能影响117-122
• 3.2.2 直流溅射功率对薄膜性能的影响122-128
• 3.3 本章小结128-129
• 4 ZnS缓冲层制备与性能研究129-147
• 4.1 ZnS材料特性129-130
• 4.2 ZnS薄膜制备与性能研究130-146
• 4.2.1 ZnS薄膜制备130-135
• 4.2.2 正交实验分析135-141
• 4.2.3 退火温度对薄膜性能影响141-146
• 4.3 本章小结146-147
• 5 总结与展望147-149
• 5.1 论文研究的主要内容147
• 5.2 论文的不足之处和将来的工作147-149
• 参考文献149-155
• 作者简历及在校期间所取得的科研成果155

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