無(wú)鎘的銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池制備與性能研究.pdf

1、黃銅礦型銅銦鎵硒(CuIn1-xGaxSe2，CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是最有發(fā)展前景的薄膜太陽(yáng)能電池之一，但其多層薄膜制作工藝復(fù)雜，包括鉬(Mo)背電極層、CIGS光吸收層、硫化鎘(CdS)緩沖層、本征氧化鋅(i-ZnO)和摻鋁氧化鋅(AZO)窗口層，任何一層薄膜質(zhì)量不好都將影響太陽(yáng)能電池的的光電性能，因此工藝控制至關(guān)重要，本論文重點(diǎn)在CIGS吸收層和無(wú)鎘緩沖層制備工藝控制研究。
　　C

2、IGS薄膜是太陽(yáng)能電池的核心材料。本論文研究了一種工藝簡(jiǎn)單、可控的CIGS薄膜制備技術(shù):首先，在鈉鈣玻璃襯底上濺射制備厚度約1微米的鉬電極，然后采用雙室多靶位磁控濺射沉積系統(tǒng)，通過(guò)交替直流濺射CuGa靶（原子比3∶1;純度99.999％）和純In靶（純度99.999％），選擇不同的疊層方式在鉬電極上制備銅銦鎵前驅(qū)膜;再將前驅(qū)膜放入特制的真空爐中選擇不同的升溫方式進(jìn)行硒化退火，得到四元化合物銅銦鎵硒半導(dǎo)體納米薄膜，對(duì)薄膜進(jìn)行各項(xiàng)表征（SE

3、M、AFM、XPS、XRD等），分析了前驅(qū)膜疊層及硒化升溫方式對(duì)銅銦鎵硒薄膜性能的影響，優(yōu)化了制備條件:In/CuGa/In多層前驅(qū)膜先在250℃恒溫20分鐘加熱預(yù)處理，再升溫至560℃硒化溫度30分鐘，制備出致密的黃銅礦結(jié)構(gòu)的多晶銅銦鎵硒薄膜，薄膜顆粒直徑約1μm，有較好的結(jié)晶質(zhì)量，膜厚2μm，方塊電阻為0.11Ω/□，薄膜在波長(zhǎng)500-1100nm之間，對(duì)可見(jiàn)光及近紅外線有很好的吸收。
　　緩沖層是位于CIGS吸收層和透明導(dǎo)電

4、窗口層之間的薄膜，用以緩沖吸收層和透明導(dǎo)電層之間的帶隙差。傳統(tǒng)采用的緩沖層CdS對(duì)人體有害，而且?guī)镀斐商?yáng)光的短波損失，且CdS的傳統(tǒng)化學(xué)浴制備方法都是濕法工藝，破壞了濺射后硒化或共蒸發(fā)中的真空和干法制造流程，因而無(wú)鎘緩沖層的干法制備具有重要意義。在CIGS電池中的緩沖層材料很薄，原子層沉積方式是最理想的選擇，本文采用原子層沉積ZnO(ALD-ZnO)代替CdS做緩沖層，它是沒(méi)有采用等離子體的軟沉積法，可以避免采用磁控濺射的方法

5、制備ZnO時(shí)對(duì)CIGS膜的損傷;還可以方便地避免現(xiàn)有CIGS工藝流程中唯一的液相化學(xué)浴(CBD)工藝，ALD設(shè)備可以與現(xiàn)有CIGS生產(chǎn)線其它真空工藝無(wú)縫對(duì)接，基底在大氣中的暴露將很少;ALD-ZnO還提高了短波和近紅外范圍的量子效率，具有工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。
　　本文研究了ALD制備ZnO緩沖層時(shí)薄膜厚度與鋅源(DEZn)脈沖時(shí)間的關(guān)系、薄膜表面粗糙度與鋅源脈沖時(shí)間的關(guān)系和溫度對(duì)薄膜質(zhì)量的影響、攜帶DEZn氣體流量與平均生長(zhǎng)的薄膜厚度

6、關(guān)系、不同鋅源脈沖時(shí)間下ZnO薄膜的光學(xué)特性等，在我們的實(shí)驗(yàn)范圍得出了最佳工藝條件為:DEZn脈沖時(shí)間0.1秒，清洗時(shí)間3秒;H2O脈沖時(shí)間0.1秒，清洗時(shí)間4秒，攜帶氣體為高純N2，DEZn的攜帶氣體流量為150sccm，H2O的攜帶氣體流量為200sccm，襯底溫度為250℃，真空度為20hPa時(shí)沉積開(kāi)始，薄膜生長(zhǎng)200個(gè)周期。
　　用原子層沉積法在鈉鈣玻璃上沉積厚度僅為56.8nm的氧化鋅薄膜，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、AFM和X

7、射線衍射(XRD)、XPS等對(duì)樣品表面形貌和物相進(jìn)行分析，得到的ZnO納米顆粒為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，顆粒的大小約在30-60nm之間;薄膜在波長(zhǎng)400-900nm可見(jiàn)光區(qū)域透射率達(dá)90％以上;使用該原子層沉積氧化鋅薄膜做銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池的緩沖層，透射電鏡TEM顯示氧化鋅層致密地覆蓋在CIGS薄膜上，得到的電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，完全可以替代有毒的CdS做緩沖層。本工藝技術(shù)路線環(huán)保，簡(jiǎn)單可控，將有助于無(wú)鎘的CIGS太陽(yáng)電池的產(chǎn)業(yè)化。