柔性不銹鋼襯底銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池研究.pdf

1、不銹鋼襯底銅銦鎵硒(CIGS)太陽(yáng)電池有兩個(gè)問(wèn)題不同于玻璃襯底電池，一是不銹鋼襯底表面粗糙度對(duì)金屬M(fèi)o電極和CIGS薄膜結(jié)構(gòu)的影響，二是金屬元素Fe向CIGS薄膜內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致電池效率下降。因此，研究其內(nèi)在原因所造成的影響，并研究其相應(yīng)的措施來(lái)降低或消除其不利影響，提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率是本論文所要研究的中心內(nèi)容。
　　 本論文針對(duì)不銹鋼(簡(jiǎn)稱SS)襯底對(duì)CIGS太陽(yáng)電池材料與器件的影響展開(kāi)了一系列研究，其中包括SS襯底表面對(duì)電池材

2、料結(jié)構(gòu)的影響，襯底的金屬雜質(zhì)向電池內(nèi)部擴(kuò)散及分布，CIGS晶面擇優(yōu)取向形成及控制對(duì)器件性能的影響，開(kāi)發(fā)雜質(zhì)阻擋層和和電絕緣層。研究的結(jié)果在制備SS襯底CIGS薄膜電池的過(guò)程中得以驗(yàn)證。
　　 SS襯底對(duì)Mo薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌的研究結(jié)果表明：在SS上沉積Mo電極具有與玻璃襯底Mo有相同的晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌，只是不銹鋼襯底上的Mo薄膜晶粒間隙較大，存在較多孔洞。
　　 金屬雜質(zhì)向電池內(nèi)部擴(kuò)散的研究結(jié)果表明，襯底溫度是Fe擴(kuò)散的

3、必要條件，襯底溫度低于450℃時(shí)幾乎不發(fā)生Fe擴(kuò)散，此時(shí)Fe在CIGS內(nèi)的含量低于In元素4個(gè)半個(gè)量級(jí)。襯底溫度每升高50℃，CIGS內(nèi)Fe含量升高一個(gè)數(shù)量級(jí)。襯底溫度為500℃時(shí)，擴(kuò)散進(jìn)Mo/CIGS系統(tǒng)中的Fe原子易于聚集在薄膜表面ODC區(qū)域、CIGS/Mo界面處。隨著襯底溫度升高至550℃，F(xiàn)e在CIGS/Mo界面及CIGS內(nèi)部趨向于均勻分布。Fe在CIGS薄膜中可能的表現(xiàn)形式有兩種，一種是Fe原子代替薄膜內(nèi)部的金屬原子，如In(

4、Ga)、Cu，形成FeIn(Ga)、FeCu缺陷：另外一種是Fe與Se發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Fe-Se的化合物，如Fe3Se4等，但因該物質(zhì)含量較少，從XRD中檢測(cè)不出來(lái)。Fe在Mo中主要呈梯度分布，其含量主要受內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷密度影響，與溫度關(guān)系不大。另外，實(shí)驗(yàn)表明水浴制備CdS時(shí)，F(xiàn)e不具備從溶液擴(kuò)散進(jìn)入CIGS的溫度和濃度，電池性能沒(méi)有受到影響。
　　 在三步蒸發(fā)法低溫制備不銹鋼襯底CIGS薄膜電池吸收層時(shí)，高Se束流增大了CIGS

5、晶粒尺寸，降低了CIGS薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷，使Fe的總體含量降低。尤其是CIGS表面、CIGS/Mo界面處的Fe含量降低更加明顯。通過(guò)工藝的優(yōu)化，制備出了無(wú)阻擋層、未摻Na的不銹鋼襯底CIGS薄膜電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12.1％(該結(jié)果由中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)中心標(biāo)定)。
　　 在研究CIGS薄膜晶面擇優(yōu)取向時(shí)獲知，三步蒸發(fā)法制備CIGS過(guò)程第一步襯底溫度Ts1是形成CIGS薄膜(220)擇優(yōu)取向的必要條件

6、，第二步襯底溫度Ts2對(duì)CIGS薄膜擇優(yōu)取向的影響與其Cu-rich生長(zhǎng)階段有關(guān)，未經(jīng)過(guò)Cu-rich階段的CIGS薄膜，Ts2的增加會(huì)促進(jìn)CIGS的(112)晶面生長(zhǎng)；Fe的摻雜會(huì)使(112)晶面不穩(wěn)定，抑制了(112)晶面的生長(zhǎng)，相應(yīng)地促進(jìn)了CIGS薄膜(220)晶面生長(zhǎng)；不銹鋼襯底上(220)-CIGS薄膜表面附近仍以(220)取向?yàn)橹?，而玻璃襯底上(220)-CIGS薄膜表面附近卻以(112)取向?yàn)橹?。Na和Fe共摻雜時(shí)，CIG

7、S薄膜的(112)取向增強(qiáng)，表明與Fe摻雜相比，Na的摻雜對(duì)(112)晶面的影響更大，這主要是Na-Se偶極子的動(dòng)量較大的緣故。在研究晶面取向?qū)ζ骷阅苡绊懼邪l(fā)現(xiàn)，SS襯底CIGS電池Voc、Jsc和FF隨著CIGS結(jié)構(gòu)(220)晶面取向強(qiáng)度增加而單調(diào)上升，而玻璃襯底電池卻表現(xiàn)出先增高后減小的趨勢(shì)，用晶界中性勢(shì)壘模型對(duì)此兩種現(xiàn)象進(jìn)行了初步的解釋。
　　 論文中對(duì)于阻擋金屬原子向CIGS內(nèi)部擴(kuò)散作了多項(xiàng)研究，其中根據(jù)Fe貯留在結(jié)構(gòu)

8、缺陷的特性，對(duì)Mo薄膜制備多層結(jié)構(gòu)用以產(chǎn)生大量界面，結(jié)果表明具有多界面的Mo薄膜對(duì)Fe具有很好的阻擋作用，電池的效率提高明顯；另外本征ZnO、金屬Cr薄膜都做了一系列實(shí)驗(yàn)，但都不是最理想的材料。
　　 AIN材料耐高溫、性能穩(wěn)定，將其作為SS襯底的阻擋層與電絕緣層，不僅明顯的阻擋金屬原子擴(kuò)散，而且經(jīng)高溫過(guò)程后仍保持其高阻特性，可以滿足不銹鋼襯底阻擋雜質(zhì)與電絕緣的雙重功能，為內(nèi)聯(lián)式不銹鋼襯底薄膜電池組件奠定了基礎(chǔ)。AIN與Mo薄膜