四元靶材磁控濺射法制備CIGS吸收層材料及其器件構(gòu)筑.pdf

1、Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)太陽(yáng)能電池是薄膜太陽(yáng)能電池中最具應(yīng)用前景的薄膜太陽(yáng)能電池之一，具有著效率高，穩(wěn)定性好和弱光性能好的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究中心（ZSW）于2015年報(bào)道了認(rèn)證效率為21.7％的 CIGS太陽(yáng)能電池；2014年，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（EMPA）在聚酰亞胺柔性基底上制備出了效率高達(dá)20.4%的柔性CIGS太陽(yáng)能電池。但是這些高效率CIGS太陽(yáng)能電池都是由多元熱共蒸發(fā)法

2、制備的，工藝要求極其苛刻，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。盡管溶液法能夠極大的降低CIGS太陽(yáng)能電池的制備成本，但是里面包含的雜質(zhì)太多，最高效率只有共蒸發(fā)法的70%左右。磁控濺射法制備 CIGS太陽(yáng)能電池因具有復(fù)現(xiàn)性好、樣品純度高和可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而引起了研究人員的廣泛關(guān)注，所以本論文主要研究了磁控濺射法制備CIGS太陽(yáng)能電池。本論文主要研究?jī)?nèi)容以及研究成果如下：
　　1、研究了射頻濺射化學(xué)計(jì)量比的 CIGS單源陶瓷靶（Cu:In:Ga:Se=

3、1:0.7:0.3:2）制備CIGS吸光層。我們發(fā)現(xiàn)濺射得到的CIGS薄膜和靶材的組成有著巨大的差異，并且和靶材與基底之間的工作距離有著巨大的相關(guān)性。隨著工作距離的增加，CIGS預(yù)制膜中 Cu/(In+Ga)的比例從1.29減少到0.96。但是預(yù)制膜經(jīng)過(guò)退火處理后，Cu/(In+Ga)的比值均大于1，呈現(xiàn)富銅狀態(tài)，這主要是由于CIGS晶體的富銅生長(zhǎng)機(jī)制導(dǎo)致的。我們通過(guò) XRD檢測(cè)確定了薄膜晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)方向，通過(guò) Raman光譜分析確定了

4、薄膜組分的結(jié)構(gòu)，二者共同顯示薄膜不存在雜相。后經(jīng)組裝電池器件證實(shí)，利用此方法制備的銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高只有0.65%。本章的工作說(shuō)明可以使用CIGS陶瓷靶濺射制備CIGS太陽(yáng)能電池，但是需要進(jìn)一步優(yōu)化制備方法。
　　2、研究了射頻濺射貧銅的銅銦鎵硒陶瓷靶（ Cu:In:Ga:Se=0.84:0.8:0.36:2）制備CIGS薄膜的條件和特性。我們發(fā)現(xiàn)濺射貧銅的 CIGS陶瓷靶能夠制備出來(lái)貧銅的CIGS預(yù)制膜，并

5、且退火處理后的薄膜組成仍然是貧銅的。我們發(fā)現(xiàn) CIGS太陽(yáng)能電池效率和退火溫度具有著很大的相關(guān)性，550℃退火時(shí)效率達(dá)到最大，溫度偏低和偏高時(shí)電池效率都低于此值。550℃硒化的時(shí)候獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為5.02%，開(kāi)路電壓為0.413 V，短路電流密度為15.64 mA/cm2，填充因子為63.84%，有效面積為0.21 cm2的光伏器件。和射頻濺射化學(xué)計(jì)量比的CIGS陶瓷靶相比，顯著地提高了CIGS太陽(yáng)能電池的效率。
　　3、研究

6、了射頻濺射銅銦鎵硒陶瓷靶（Cu:In:Ga:Se=1:0.7:0.3:2）和直流濺射銦靶的共濺射法制備高質(zhì)量的CIGS預(yù)制膜。通過(guò)優(yōu)化直流濺射銦靶的濺射工藝，制備出了一系列具有貧銅組份的銅銦鎵硒薄膜。我們利用該方法對(duì)CIGS薄膜的組份進(jìn)行了行之有效的調(diào)控。我們對(duì)CIGS預(yù)制膜進(jìn)行了形貌、組份的分析；對(duì)硒化后CIGS薄膜進(jìn)行了形貌、組份、結(jié)構(gòu)等性能分析。最終獲得了光電轉(zhuǎn)換效率為10.29%，開(kāi)路電壓為0.532 V，短路電流密度為32.0

7、2 mA/cm2，填充因子為60.50%，有效面積為0.36 cm2的CIGS太陽(yáng)能電池。
　　本論文系統(tǒng)的研究了濺射CIGS陶瓷靶制備CIGS太陽(yáng)能電池，系統(tǒng)研究了靶材組成、預(yù)制膜和硒化后薄膜的組成、形貌和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)濺射化學(xué)計(jì)量比的CIGS陶瓷靶無(wú)法制備高效率的 CIGS太陽(yáng)能電池，效率只有0.65%。我們通過(guò)將化學(xué)計(jì)量比的陶瓷靶改為貧銅的組成，將電池效率提高到5.02%。然后我們通過(guò)化學(xué)計(jì)量比的CIGS陶瓷靶和In金