磁控濺射法制備CIGS吸收層及其光電特性研究.pdf

1、傳統(tǒng)礦物能源的日漸枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境污染問題迫使人類社會開發(fā)利用清潔的可再生能源。太陽能取之不盡，用之不竭，是一種理想的清潔能源。而通過光伏發(fā)電是利用太陽能最直接也是最有效的手段之一。近年來，薄膜太陽能電池因其具有運(yùn)輸成本低、節(jié)省材料、生產(chǎn)速率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為光伏行業(yè)未來的重要發(fā)展趨勢。其中，銅銦鎵硒(CIGS)為吸收層的薄膜太陽能電池最有希望取代晶硅太陽能電池而得到廣泛應(yīng)用。CIGS是以銅銦硒（CIS）為基礎(chǔ)，CuInSe2中的In被

2、適量的Ga取代后成為CuIn1-xGaxSe2多晶固溶體，通過改變其中Ga/In的比例可以方便地調(diào)整其禁帶寬度。
　　CIGS吸收層的制備方法主要有真空蒸發(fā)法、磁控濺射法、電沉積法、金屬預(yù)置層后硒化法、噴涂熱解法和分子束外延技術(shù)等。其中真空共蒸法所制備的CIGS薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，其制備的CIGS薄膜的成分能夠在制作過程中得到非常有效的控制，但是蒸發(fā)法制備薄膜的工藝復(fù)雜、成本較高、重復(fù)性較差、難以大面積構(gòu)筑、反應(yīng)速度慢，不

3、適合大規(guī)模生產(chǎn)。從工業(yè)化和商業(yè)化的角度來考慮，研究成本低、轉(zhuǎn)換效率高、可大面積制備的CIGS吸收層具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值和意義。
　　本論文采用磁控濺射法制備 CIGS吸收層材料，旨在探索一條低成本制備高性能CIGS薄膜材料的工藝方法和路線，在實(shí)驗(yàn)過程中著重研究其薄膜的生長機(jī)理、缺陷的控制機(jī)理及材料的微觀結(jié)構(gòu)與光伏性能之間的關(guān)系。主要利用多靶材共濺射的技術(shù)，使用Cu0.8Ga0.2合金靶和In靶共濺射預(yù)先在基底上沉積符合化學(xué)計量比

4、的Cu-In-Ga合金材料，形成均勻致密的合金預(yù)制層，在此基礎(chǔ)上，在真空條件下經(jīng)高溫快速升溫硒化退火處理后制得 CIGS薄膜光伏材料。該方法避免了使用高毒性H2Se氣體以及使用廢氣處理等措施，工藝操作簡單、安全、容易控制，有利于獲得大面積接近精確化學(xué)計量比的CIGS薄膜。本論文主要研究內(nèi)容分為以下四個部分：
　　(1) Cu-In-Ga金屬預(yù)制層的制備
　　利用直流磁控共濺射Cu0.8Ga0.2和In靶的方法在玻璃基底上制備

5、銅銦鎵金屬預(yù)制層，腔室背底真空抽至4×10-4 Pa，工作氣體為高純氬氣（99.999％），工作壓強(qiáng)為0.5 Pa。通過調(diào)節(jié)銅鎵靶和銦靶的相對功率及氬氣壓強(qiáng)制備出成分恰當(dāng)，表面結(jié)合較為牢固的金屬預(yù)制層。我們使用直流濺射功率為Cu0.8Ga0.240W-In80W，共濺射時間為40min，制備出合金預(yù)制層的厚度約600 nm。
　　(2) CuInGa金屬預(yù)制層的硒化
　　采用能夠快速升溫硒化快速降溫處理的 OTF滑軌爐，使用

6、固態(tài)硒粉和密封石墨盒在爐體壓強(qiáng)為60 mtorr真空下對預(yù)制層進(jìn)行硒化處理，樣品在40 s內(nèi)快速升溫至600℃，硒化時間為30 min。制備出的吸收層具有良好的結(jié)晶性和吸收特性，吸收層的厚度約為1.6μm。
　　(3) CIGS吸收層材料的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性
　　通過對CIGS薄膜表面和截面SEM以及拉曼光譜(Raman)分析，XRD，紫外可見光吸收分析，研究結(jié)果表明我們制備出的吸收層薄膜結(jié)晶性良好，在可見光范圍內(nèi)具有良好的光吸