對濺射法制備的銅銦鎵硒吸收層與摻鋁氧化鋅窗口層結構與性能的研究.pdf

1、煤炭、石油等化石能源的大量消耗與需求已造成了嚴重的環(huán)境問題與社會問題。為了實現(xiàn)資源、環(huán)境與社會的可持續(xù)發(fā)展，人們亟需尋求清潔的可再生能源，太陽能有希望成為未來人類社會主要能源之一。通過太陽能電池的光伏效應，使太陽能直接轉變?yōu)殡娔?，將是利用太陽能最直接的方式。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池以其較高的光電轉換效率、優(yōu)秀的穩(wěn)定性及相對較低的成本引起了人們廣泛的關注。
　　 在CIGS薄膜太陽能電池中，功能層的質量對電池的性能有著較

2、大的影響。電池窗口層的質量不僅影響著電池在近紫及紅外波段的量子效率，同時還左右著電池的串聯(lián)電阻從而影響著電池的短路電流，而電池吸收層的質量決定了電池pn結的質量進而影響著電池的開路電壓。在制作太陽能電池組件時，通常將電池單元以串聯(lián)后并聯(lián)在一起以獲得較大的輸出功率，電池單元的性能差異將導致組件性能變壞。在生產(chǎn)過程中通常會采用刻劃的方式，將制得的疊層薄膜分割成小面積電池后進行串并聯(lián)組裝，因此制得組成與性能均勻的薄膜，對制作電池單元及電池組件

3、均有較大的意義。此外，由于在制備CIGS薄膜時需要一定量的稀有元素金屬銦與鎵，銦資源的短缺將限制CIGS薄膜太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展，而Cu2ZnSnS4(CZTS)以其原材料儲量豐富且同樣優(yōu)異的光學、電學性能的特點，成為極具潛力的CIGS薄膜替代材料。
　　 本論文分別對CIGS薄膜太陽能電池的CIGS吸收層與ZnO窗口層進行了研究，并試圖制備出結構與性能均勻的高質量薄膜，同時還對使用濺射法制備CZTS薄膜進行了一定的探索。論文

4、可分為三大部分，具體內容如下:
　　 第一部分主要研究了使用傳統(tǒng)的濺射后硒化工藝制備的薄膜太陽能電池吸收層CIS/CIGS薄膜。在實驗中系統(tǒng)地研究了使用共濺射法制備金屬預制層不同濺射參數(shù)并區(qū)分出各個濺射參數(shù)對薄膜組分及成分的影響程度，從而實現(xiàn)了對金屬預制層成分與組分較準確地調控;通過模擬計算的方式，得出了在硒化處理時，預制層表面的溫度分布，并以石墨與石英材料為例，研究了硒化反應器材質對硒化過程中預制層表面溫度分布的差異;對富銦預

5、制層與富銅預制層的硒化結果進行了細致測試分析，利用模擬計算結果，研究了預制層中的銦參與硒化反應的反應機理與反應歷程，并發(fā)現(xiàn)在硒化過程中由于CuIn2與Cu11In9及Cu與In擴散系數(shù)的差異使得硒化后薄膜表面呈富銦態(tài)，同時指出由于對預制層硒化處理時預制層表面各處溫度的差異，將導致預制層與環(huán)境中Se發(fā)生的反應相異，從而造成了制得的薄膜不均勻;通過在硒化前在預制層表面引入外源性Na元素，顯著地改善了在濺射后硒化制備CIGS薄膜時在薄膜底部出

6、現(xiàn)的相分離現(xiàn)象，得到了組成均勻的CIGS薄膜，同時Na的引入還有效降低了硒化反應的反應溫度。
　　 第二部分研究了使用射頻濺射的方式直接濺射沉積氧化鋅窗口層。實驗對射頻濺射沉積本征氧化鋅的工藝進行了優(yōu)化，制得高質量的ZnO薄膜，薄膜在可見光波段的平均透過率超過85％;通過對ZnO薄膜的X射線衍射譜(XRD)與略入射X射線衍射（GIXRD）的對比，發(fā)現(xiàn)濺射制得的ZnO晶粒呈六方相沿著c軸方向垂直于襯底表面生長，同時在晶粒的頂部形成

7、了(103)晶面，使薄膜中晶粒呈一定的尖錐狀;由薄膜的X射線光電子能譜(XPS)測試發(fā)現(xiàn)，不同的退火工藝對退火后薄膜中氧空位缺陷的濃度有較大的影響，結合XRD的衍射峰移動推知射頻濺射沉積的氧化鋅中氧空位將使得氧化鋅晶格參數(shù)減小;射頻濺射工藝制得的摻鋁氧化鋅薄膜結晶性較好，薄膜平整且在可見光波段透過率接近85％，但其成分、結構、光學與電學性質均存在著不均勻性，研究發(fā)現(xiàn)這些這些性能的差異于薄膜晶粒中的鋁摻雜，特別是間隙位鋁有較大關系，進一步

8、的實驗與理論研究表明，薄膜中間隙位鋁的差異與薄膜中鋁的相對含量變化有關，而鋁的相對含量的變化則是由濺射過程中不同空間位置鋅與鋁濺射產(chǎn)額的差異引起，為了制備性能較均勻的摻鋁氧化鋅薄膜，可以將襯底置于特定的位置，使用離軸濺射的方式進行薄膜的沉積。
　　 第三部分是對濺射后硫化法制備CZTS薄膜的初步探索，嘗試了使用共濺射金屬靶材的方式制備預制層以避免硫化物對濺射腔體的污染，同時對不同的硫化處理方式、硫化處理時間及溫度，以及硫化處理時