磁控濺射制備CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的研究.pdf

1、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)薄膜太陽(yáng)能電池以其效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐輻射、耗材少等眾多優(yōu)點(diǎn)成為近些年太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這種電池的性能主要由吸收層CIGS薄膜的質(zhì)量決定,目前其主要制備方法有:共蒸發(fā)法、金屬預(yù)置層后硒化法、電沉積法和噴霧高溫分解法等,然而由于CIGS薄膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)晶成膜要求條件較高,以共蒸發(fā)法和金屬預(yù)制層后硒化法為主的制備方法還存在著各種各樣的問(wèn)題,忸礙了其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
　　 本文利用磁控濺射方

2、法制備了CIGS薄膜太陽(yáng)能電池各層薄膜,研究了濺射的工藝參數(shù)以及退火溫度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和各種性能的影響,研究的結(jié)果不但有利于制備具有特定吸收層,緩沖層和窗口層,更有利于簡(jiǎn)化CIGS薄膜電池制備工藝。本文在綜合評(píng)述CIGS薄膜太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,對(duì)CIGS的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了計(jì)算,并采用磁控濺射方法分別在玻璃襯底上制備了不同工藝參數(shù)的吸收層CIGS薄膜、緩沖層ZnS薄膜和窗口層ZnO/ZnO:Al(ZAO)薄膜,隨后在Ar的保護(hù)下對(duì)樣品

3、進(jìn)行高溫退火處理。采用X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線熒光光譜儀(XRF)等設(shè)備研究了制備的工藝參數(shù)對(duì)各種薄膜的相結(jié)構(gòu)、表面形貌、薄膜成分以及電學(xué)和光學(xué)等性能的影響。得到如下結(jié)果:
　　 采用基于密度泛函理論(DFT)框架下廣義梯度近似的PBE平面波超軟贗勢(shì)方法計(jì)算了CuInGaSe2(CIGS)和CuInAlSe2(CIAS)的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明黃銅礦型CIGS和CIAS都是直接帶隙半

4、導(dǎo)體材料,禁帶寬度分別為1.34eV,1.50eV。計(jì)算并對(duì)比分析了CIGS和CIAS的態(tài)密度,吸收系數(shù),反射率,復(fù)介電函數(shù)和折射指數(shù)隨光子能量的變化關(guān)系。結(jié)果表明CIAS的禁帶寬度偏大,導(dǎo)致了它的吸收光譜和復(fù)介電函數(shù)虛部相對(duì)于CIGS發(fā)生了藍(lán)移,并且反射率較低。
　　 不同條件下制備的CuInSe2(CIS)薄膜受靶材功率和溫度的影響比較大,功率的大小決定了薄膜的成分,溫度主要影響薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。制備的樣品經(jīng)560℃左右的溫

5、度退火后表現(xiàn)了良好的黃銅礦晶體結(jié)構(gòu),并且SEM圖顯示,此時(shí)樣品表面平整致密,均勻性好;580℃退火的樣品表面測(cè)出現(xiàn)了龜裂現(xiàn)象。利用CuIn、CuGa和Se靶材三靶共濺射制備的CIGS薄膜經(jīng)560℃退火后也表現(xiàn)了良好的黃銅礦晶體結(jié)構(gòu),表面形貌良好,只是成分與CuIn0.7Ga0.3Se2中各種元素的化學(xué)計(jì)量比稍少有偏差。
　　 利用射頻濺射制備的ZnS緩沖層的結(jié)構(gòu)性能主要受工作氣壓和濺射功率的影響較大。氣壓為0.2Pa時(shí)制備的薄膜