硫族化合物薄膜太陽能電池材料研究.pdf

1、銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池作為最有潛力的薄膜太陽能電池之一,具有吸收系數(shù)高、帶隙可調(diào)、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強等優(yōu)點。目前,一般采用三步共蒸發(fā)法制備CIGS太陽能電池的吸收層Cu(In0.7Ga0.3)Se2(CIGS)薄膜。盡管三步共蒸法在應(yīng)用于高效率的CIGS電池器件的制備上已經(jīng)取得很大進(jìn)展,但其沉積過程中對各元素的蒸發(fā)速率精確的控制要求和復(fù)雜的工藝給大規(guī)模生產(chǎn)帶來了困難。另一種CIGS薄膜制備的主流方法為濺射金屬預(yù)置層后硒化法,

2、但硒化過程受很多參數(shù)影響,造成了此工藝技術(shù)的復(fù)雜性。
　　為了克服目前CIGS吸收層薄膜制備工藝的缺點,本文中采用單靶磁控濺射方法沉積CIGS薄膜。并采用X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X射線能譜儀(EDS)、紫外-可見-近紅外分光光度計分析研究了濺射壓強、濺射功率以及襯底溫度工藝參數(shù)對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、元素組分以及光學(xué)特性的影響,以此來確定制備高質(zhì)量的CIGS吸收層的最佳的工藝參數(shù)

3、。結(jié)果表明,在濺射壓強為1mTorr、濺射功率為200W、襯底溫度為623K的工藝條件下沉積的CIGS薄膜具有單相黃銅礦結(jié)構(gòu)、晶化程度最好、組分符合高效吸收層的要求。
　　CIGS薄膜濺射完成之后,再采用磁控濺射的方法依次沉積ZnS薄膜和ZnO:Al(AZO)薄膜分別作為電池的緩沖層和窗口層。在襯底溫度為室溫、濺射功率為100W、濺射壓強為3.75mTorr的工藝條件下沉積的ZnS薄膜具有面心立方閃鋅礦結(jié)構(gòu),沿(111)晶面擇優(yōu)生

4、長,晶面方向垂直于襯底表面。薄膜表面平整致密,晶粒分布均勻,不存在裂縫和孔隙。另外,ZnS薄膜還表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能,在可見光(380-780nm)范圍內(nèi)平均透射率大于75％,綜合性能良好,非常適合作為太陽能電池的緩沖層。在襯底溫度為室溫、濺射功率為200W、濺射壓強為3mTorr的工藝條件下沉積的AZO薄膜具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),呈c軸擇優(yōu)取向,垂直于襯底表面,表現(xiàn)出良好的電學(xué)和光學(xué)性能,電阻率為5.99×10-3Ω?cm,在可見光區(qū)的平

5、均光透射率大于85%,綜合性能良好,非常適合作為太陽能電池的窗口層。
　　為了研究將全濺射方法應(yīng)用于太陽能電池制備的可行性,按照鈉鈣玻璃(SLG)/Mo(1.2?m)/CIGS(2?m)/ZnS(50nm)/AZO(700nm)/Al(1?m)的結(jié)構(gòu)采用全濺射方法完成了CIGS太陽能電池器件。電池的有效面積為0.99cm2,開路電壓Voc=627mV,短路電流密度Isc=15.6mA/cm2,填充因子FF=0.37,轉(zhuǎn)換效率η=3