CIS薄膜的電沉積法制備及其結(jié)構(gòu)性能.pdf

1、能源和環(huán)境是人類社會必須面對的兩大基本問題。對化石燃料的過度依賴已經(jīng)嚴重破壞環(huán)境而影響到整個人類的可持續(xù)發(fā)展，尋找可再生、廉價、清潔能源已成為當前人類面臨的迫切課題。其中太陽能是一種最具潛力的清潔、安全、環(huán)保的可再生能源，如果能把太陽能轉(zhuǎn)化為電能將使人類徹底解決能源問題。太陽能電池正是實現(xiàn)這個目標的最重要的手段，因此太陽能電池的研究受到人們的高度關注。在人們所研究的太陽能電池序列中，CIS系(CuInS2、CuInSe2、Cu(InGa

2、)Se2、CnIn(SxSe1-x)2、Cn(InGa)(SxSe1-x)2)等是直接帶隙半導體材料，光吸收系數(shù)高達105，是目前已知的光吸收性能最好的半導體薄膜材料，具有光電轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。因此光伏研究者公認CIS系薄膜太陽能電池是最具大規(guī)模應用前景的太陽能電池之一。但三十多年來人們的不斷努力，并沒有帶來CIS系太陽能電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，其主要原因，在于目前電池吸收層的制備技術復雜，設備昂貴，使得CIS 太陽能電池成本

3、居高不下。在目前諸多電池吸收層制備技術中，電沉積方法是一種經(jīng)濟實用的薄膜制備方法，極具工業(yè)化前景，但也存在一些問題。本文基于電沉積制備CIS薄膜的優(yōu)點及存在的問題，嘗試通過電沉積中的電解液離子濃度、pH值的調(diào)節(jié)及沉積電源設計實現(xiàn)對薄膜組分、形貌、晶型及與基底的結(jié)合力的控制，并探索可實用化的低成本CIS薄膜的制備技術。為了排除緩沖層、窗口層等因素的影響，本論文著重研究吸收層的最優(yōu)化成膜條件。具體工作內(nèi)容主要有以下三部分：
　　 1

4、.CuInS2的制備及其性能研究本章采用硫化前驅(qū)體的方法制備CuInS2薄膜。通過對沉積電位、電解液組成、pH值、檸檬酸鈉濃度以及不同退火溫度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對薄膜結(jié)構(gòu)、成分、表面形貌以及光學吸收性質(zhì)的控制。根據(jù)最佳實驗參數(shù)，制備出具有較為理想的表面形貌和合適化學計量比且是單一黃銅礦結(jié)構(gòu)的CuInS2薄膜，其帶隙為1.43eV。
　　 2.CuInSe2的制備及其性能研究本章主要研究通過沉積電源的設計，實現(xiàn)對薄膜結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。<

5、br>　　 (1)無電沉積法制備CuInSe2薄膜用無電沉積法制備CuInSe2薄膜。研究了不同對電極（Fe，Zn，Al）、檸檬酸鈉濃度和退火溫度對薄膜形貌、結(jié)構(gòu)以及組分的影響。結(jié)果證明用Al 作對電極，在適當濃度（0.5 M）的檸檬酸鈉作絡合劑的情況下，在500℃硒化退火處理后得到了致密的CuInSe2薄膜，薄膜的成分接近化學計量比，薄膜具有單一的黃銅礦結(jié)構(gòu)，其帶隙為0.98 eV。
　　 (2)恒電位法電沉積制備CuInS

6、e2薄膜用恒電位法制備CuInSe2薄膜。研究了沉積電位、檸檬酸鈉濃度、電解液pH值和退火溫度對薄膜成分、表面形貌、結(jié)晶的影響?？偨Y(jié)出沉積規(guī)律，優(yōu)化沉積參數(shù)，制備出了結(jié)晶良好，具有單一黃銅礦結(jié)構(gòu)的薄膜，光學帶隙為0.97eV。
　　 (3)脈沖電沉積法制備CuInSe2薄膜采用獨創(chuàng)的特殊脈沖電源以恒電流模式制備CuInSe2薄膜。研究了脈沖頻率、占空比、沉積電流及退火溫度對薄膜成分、表面形貌和結(jié)晶的影響。篩選出最佳沉積參數(shù)，制備

7、出表面平整，與基底結(jié)合緊密，組分合理，具有單一黃銅礦結(jié)構(gòu)的CuInSe2薄膜。與直流恒電位模式制備的薄膜比較，在薄膜表面平整度、與基底結(jié)合力、晶粒分布均勻致密等方面具有明顯優(yōu)勢。薄膜光學帶隙約為0.99eV。
　　 3.硫化溫度控制法制備CuIn(Se1-xSx)2薄膜及性能研究本章發(fā)展了一種全新的硫化技術，實現(xiàn)了具有梯度帶隙的CuIn(Se1-xSx)2薄膜的制備，技術手段新穎、簡單、實用，具有低成本的顯著優(yōu)勢。具體方案是：前

8、驅(qū)體CuInSe2薄膜用脈沖(或恒電位)電沉積制備，硒化退火后再在足量硫的蒸汽中進行硫化，研究了硫化溫度和硫化時間對薄膜的影響。實驗中通過簡單的調(diào)節(jié)硫化溫度獲得S 摻雜量不同的、具有梯度帶隙的CuIn(Se1-xSx)2薄膜。CISS薄膜中S的含量(X值)隨硫化溫度的升高而增大，兩者成線性關系，同時，薄膜的光學帶隙也同比增大，兩者也近似為線性關系。在硫化溫度為500℃時前驅(qū)體CuInSe2薄膜完全轉(zhuǎn)化為CuInS2薄膜，帶隙1.42 e

9、V。延長硫化保溫時間，可以增大薄膜中S的含量，但是增加的這部分S是以單質(zhì)的形式附著在薄膜的表面，并沒有進入薄膜中替代Se，即薄膜中S 含量的變化由硫化溫度控制，與硫化保溫時間幾乎無關。
　　 本論文通過實驗參數(shù)及沉積電源的設計，實現(xiàn)了CuInS2、CuInSe2薄膜結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控；發(fā)展了一種全新的、低成本的硫化新技術，實現(xiàn)了可控帶隙CuIn(Se1-xSx)2薄膜的制備。這些新思路和新方法對加快電沉積法的工業(yè)化進程和薄膜光電性