铜铟硒薄膜太阳能电池材料的制备与若干理论计算研究

【摘要】： 进入21世纪以来,全球范围内能源和环境问题日益突出。太阳能具有取之不尽、用之不竭并且属于清洁能源等优点,成为解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。薄膜太阳能电池兼具Si基太阳能电池高转换效率及成本较低的优点,其中,铜铟硒(CuInSe2, CIS)由于具有能够调整光学能隙、吸收率高(~6×105/cm)、抗辐射能力强和长期的稳定性等特点,被认为最有希望的薄膜太阳能电池材料之一。本文对CIS薄膜太阳能电池中有关薄膜材料的几个基础问题进行研究,研究内容主要包括实验和理论计算两个部分。 实验部分研究了电沉积法和溅射Cu-In合金层硒化法制备CIS薄膜,并对这两种制备方法的关键工艺参数对CIS薄膜的性能影响进行了分析。研究了电沉积法的工作机理和工艺参数对CIS薄膜性能的控制规律,以及后续的真空退火处理对电沉积CIS薄膜的结晶性、表面形貌和薄膜成分的改善作用;研究了硒化温度对溅射Cu-In合金层硒化法制备CIS薄膜的工艺的影响,揭示了硒化过程中成分和物相的变化以及薄膜表面和截面形貌的变迁,提出了硒化过程中CIS薄膜生长的三个阶段;在反应溅射的MoNx薄膜基底上生长了强择优取向的CIS薄膜,并对择优取向的形成原因进行了分析。 理论计算部分用第一性原理计算方法对CIS中的一些基础物理问题进行了研究。研究了CIS结构变形和同族元素取代对电子结构的影响,用化学键长的变化解释了能带结构的变化,并提示了CIS的结构参数和能隙随着同族元素取代量的变化规律;研究了CIS中的本征和非本征缺陷物理,对于黄铜矿相和CuAu结构的CIS,首次提出了有序缺陷化合物CuIn5Se8的两种稳定晶型,计算了CIS中本征和非本征缺陷的形成能随化学势和费米能级的变化规律,并对Na+掺杂所引入缺陷的作用机制进行了解释;对CIS与II-VI族化合物所形成的异质结的能带排列进行了计算,确定导带偏差ΔEc和价带偏差ΔEv对寻找CdS缓冲层的替代材料有重要指导意义。 本文的研究结果对推进CIS薄膜太阳能电池的大规模应用具有积极的意义。 【关键词】：铜铟硒 薄膜太阳能电池 硒化法 缺陷化合物 能带偏差
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-27
• 1.1 太阳能电池10-16
• 1.1.1 太阳能电池的工作原理11-13
• 1.1.2 硅基太阳能电池13-14
• 1.1.3 薄膜太阳能电池14-16
• 1.2 CIS 薄膜太阳能电池16-24
• 1.2.1 CIS 介绍16-18
• 1.2.2 CIS 薄膜太阳能电池介绍18-19
• 1.2.3 研究进展及现状19-21
• 1.2.4 CIS 薄膜太阳能电池的研究热点21-24
• 1.3 论文的研究目的与研究计划24-27
• 第2章 实验方法与理论计算27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 CIS 薄膜制备方法27-32
• 2.2.1 一步电沉积法27-29
• 2.2.2 真空退火29
• 2.2.3 磁控溅射29-31
• 2.2.4 硒化退火31-32
• 2.3 CIS 薄膜性能表征32-33
• 2.3.1 X 射线衍射分析(XRD)32
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)32
• 2.3.3 X 射线光电子能谱(XPS)32-33
• 2.3.4 X 射线荧光光谱分析(XRF)33
• 2.3.5 霍尔效应(HE)测试33
• 2.4 第一性原理计算方法33-43
• 2.4.1 DFT 理论33-35
• 2.4.2 系统总能量计算35-37
• 2.4.3 能带计算37-38
• 2.4.4 缺陷形成能38-40
• 2.4.5 异质结能带偏差的计算40-43
• 第3章 一步电沉积法制备CIS 薄膜研究43-56
• 3.1 引言43-45
• 3.2 一步电沉积法制备CIS 薄膜45-50
• 3.2.1 循环伏安曲线46-48
• 3.2.2 溶液浓度和沉积电位对沉积CIS 薄膜的影响48-50
• 3.3 真空退火50-55
• 3.3.1 真空退火对成分的影响50-51
• 3.3.2 真空退火对物相的影响51-54
• 3.3.3 真空退火对表面形貌的影响54-55
• 3.3.4 导电类型测量55
• 3.4 小结55-56
• 第4章 溅射Cu-In 合金层硒化法制备CIS 薄膜56-72
• 4.1 引言56-57
• 4.2 温度对CIS 薄膜硒化工艺的影响57-65
• 4.2.1 硒化过程中物相的变化58-62
• 4.2.2 硒化过程中CIS 薄膜表面形貌的变化62-64
• 4.2.3 硒化过程中CIS 薄膜生长的三个阶段64-65
• 4.3 强择优取向CIS 薄膜的制备研究65-70
• 4.3.1 MoNx 基底材料的制备66-67
• 4.3.2 强择优取向CIS 薄膜的制备67-70
• 4.4 小结70-72
• 第5章 结构参数和同族元素取代对电子结构的影响72-87
• 5.1 引言72-73
• 5.2 Cu 基I-III-VI 族化合物的典型电子结构73-75
• 5.3 结构参数的变化对电子结构的影响75-80
• 5.3.1 研究方法76
• 5.3.2 计算结果76-80
• 5.4 同族元素取代对电子结构的影响80-85
• 5.4.1 研究方法81-82
• 5.4.2 计算结果82-85
• 5.5 小结85-87
• 第6章 CIS 中的本征及非本征缺陷过程87-111
• 6.1 引言87-88
• 6.2 CIS 中的本征缺陷88-103
• 6.2.1 计算方法89-91
• 6.2.2 本征缺陷作用91-96
• 6.2.3 缺陷化合物的形成及结构96-103
• 6.3 CIS 中的非本征缺陷103-110
• 6.3.1 计算方法103-104
• 6.3.2 Na+掺杂的影响及机制研究104-110
• 6.4 小结110-111
• 第7章 CIS 与II-VI 族缓冲层异质结的比较研究111-124
• 7.1 引言111-112
• 7.2 计算方法112-114
• 7.3 CIS 与II-VI 族缓冲层异质结的能带排列114-122
• 7.4 小结122-124
• 第8章 结论124-127
• 参考文献127-140
• 致谢140-141
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果141-142

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