超薄CIGS太陽電池及組件的研究.pdf

1、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池具有高光吸收系數(shù)、高轉(zhuǎn)化效率、可調(diào)的禁帶寬度、高穩(wěn)定性、較強的抗輻射能力等優(yōu)點，是一種非常有前途的薄膜太陽電池。隨著銅銦鎵硒薄膜電池逐漸進入量產(chǎn)階段，如何降低生產(chǎn)成本成為科研工作者共同追求的目標(biāo)。發(fā)展超薄CIGS吸收層電池不但可以減少In、Ga、Se等稀有元素的用量，降低原料成本，更能減少CIGS薄膜的沉積時間，減少能源消耗與人力成本，提高生產(chǎn)效率。此外，發(fā)展超薄電池可以用有限的資源生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，對提高

2、資源的利用效率也是非常重要的。因此，超薄吸收層電池已成為目前世界上CIGS電池研究的一個熱點。本文在綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對超薄CIGS吸收層電池及組件進行了系統(tǒng)研究，主要取得如下研究成果:
　　通過理論計算和實驗研究了不同CIGS吸收層厚度對材料及電池特性的影響，確定了超薄電池的最佳臨界厚度在0.8-1.0μm之間。分別采用恒定襯底溫度順序蒸發(fā)法和三步法制備超薄CIGS電池，比較襯底溫度對超薄CIGS電池性能的影響。采用恒

3、定襯底溫度順序蒸發(fā)法制備CIGS吸收層，發(fā)現(xiàn)在襯底溫度為350℃時，由于CdS/CIGS陷光結(jié)構(gòu)及低含Ga相的存在，電池的短路電流升高明顯，進而引起轉(zhuǎn)換效率增加，而在三步法工藝中沒有發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。
　　研究了Ga在超薄電池中的作用:對比研究了Ga含量對超薄及常規(guī)厚度CIGS材料及電池性能影響的差異。研究發(fā)現(xiàn)Ga/(Ga+In)在0.20-0.36之間變化時，對1μm的CIGS薄膜結(jié)晶質(zhì)量影響不大，而2μm薄膜晶粒尺寸隨Ga含量的增加

4、而明顯減小;隨著Ga含量的增加，1μm薄膜的(112)衍射峰強度降低，而2μm薄膜的(112)衍射峰強度增加，但兩種厚度薄膜的擇優(yōu)取向同時逐漸減弱;在相同Ga含量情況下，1μm薄膜的最小帶隙值大于的2μm的薄膜，且1μm薄膜的最小帶隙值隨Ga含量增長的更快，對Ga含量的變化更敏感;隨著Ga含量的增加，1μm薄膜電阻率降低，而2μm薄膜電阻率逐漸增加。通過不同厚度的電池器件特性對比，發(fā)現(xiàn)Ga含量對超薄電池性能的影響更明顯，其增加會導(dǎo)致1μ

5、m厚度的電池開路電壓快速增加，進而引起電池轉(zhuǎn)化效率較大提升。在Ga/(Ga+In)約為0.37時，1μm的超薄電池的轉(zhuǎn)換效率達到最高。在三步法中第一步采用不同Ga-In間隔時間制備Ga的背梯度，雖然較大的間隔時間可提高Ga的背梯度，但由于影響了薄膜結(jié)晶質(zhì)量，對超薄電池性能改善微弱。第三步采用In/Ga沉積工藝，可以改善薄膜內(nèi)部Ga的V型分布，增大超薄電池的開路電壓和短路電流密度，使電池效率得到提升，1μm厚吸收層電池轉(zhuǎn)換效率達到了13.

6、2％。
　　在超薄CIGS材料制備工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，嘗試了一些其他改善超薄電池的工藝技術(shù):①提出了在CIGS/Mo界面處添加CIS或CGS界面層的工藝技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)該工藝可以改善薄膜結(jié)晶狀況、使薄膜更加致密均勻，有效降低了超薄電池的并聯(lián)電導(dǎo)值，提高了電池的開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。②對蒸發(fā)法制備CIGS薄膜表面的三角形小島及孔洞的特性和形成過程進行了研究，認為三角形小島的形成受薄膜Cu含量影響很大，而三角形孔洞的形成則主要是三角形小島生

7、長擴展不充分引起的。對含有三角形小島和沒有三角形小島的薄膜制備的超薄電池進行了比較，發(fā)現(xiàn)沒有三角形小島的電池效率有所提高。③采用前摻NaF工藝制備超薄CIGS電池，發(fā)現(xiàn)僅靠從蘇打玻璃(SLG)襯底擴散來的Na無法滿足超薄CIGS電池，需要額外補充Na;由于Na對薄膜缺陷的鈍化，以及CIGS/Mo界面處有NaF的殘留，使得電池并聯(lián)電導(dǎo)值降低，長波光生載流子收集增強，超薄電池特性得到改善。通過SIMS測試發(fā)現(xiàn)CIGS薄膜內(nèi)Na與Ga的分布形