離子液體電沉積銅銦鎵硒薄膜的研究.pdf

1、太陽(yáng)能電池作為一種清潔無(wú)污染、可長(zhǎng)期使用的可再生能源引起了人們的廣泛關(guān)注,而 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池以其轉(zhuǎn)化效率高、抗輻射能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而成為國(guó)際光伏界的研究熱點(diǎn)。CIGS作為薄膜太陽(yáng)能電池的吸收層,具有吸收系數(shù)高(1×105cm-1)、禁帶寬度可調(diào)(1.05～1.67eV)等優(yōu)點(diǎn)。為了得到高質(zhì)量的 CIGS薄膜,同時(shí)提高鍍層中難沉積金屬 Ga的含量,研究者開始使用離子液體來(lái)替代水溶液體系。為了滿足卷對(duì)卷(roll-

2、to-roll)工業(yè)化生產(chǎn),開始使用金屬或聚合物柔性襯底來(lái)替代傳統(tǒng)的 Mo/glass基底。本文以 Ni為基底,對(duì)離子液體 Reline中一步電沉積法制備 CIGS薄膜進(jìn)行了研究,旨在探索高質(zhì)量 CIGS薄膜的制備工藝,為大面積、低成本制備 CIGS薄膜太陽(yáng)能電池奠定一定的基礎(chǔ)。
　　本文首先以離子液體 Reline為溶劑,以 CuCl2、InCl3、GaCl3、H2SeO3為主鹽,依次完成了 In、Ga、Cu-In、Cu-In-

3、Ga、Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se的電沉積,并嘗試了多種提高鍍層中 Se含量的方法,最終以 SeCl4替代H2SeO3作為硒源可以實(shí)現(xiàn)鍍層中 Se含量的增加。
　　對(duì)鍍層組成的重現(xiàn)性問(wèn)題進(jìn)行了研究。當(dāng)離子液體的體積較小時(shí),鍍層組成的重現(xiàn)性很差,通過(guò)增大鍍液體積、提高鍍液溫度、增強(qiáng)攪拌可以保證鍍層組成的重現(xiàn)性。
　　研究了恒電勢(shì)沉積過(guò)程中鍍液溫度、沉積電壓等沉積工藝以及鍍液組成對(duì)鍍層組成的影響。研究發(fā)現(xiàn),在-1.3

4、V、70℃、轉(zhuǎn)速為400 r/min的條件下,鍍液組成為 CuCl2(7.5mmol/L)+InCl3(35mmol/L)+GaCl3(30mmol/L)+SeCl4(70mmol/L)時(shí),可以獲得符合化學(xué)計(jì)量比的 CuInxGa1-xSe2鍍層。隨著鍍液溫度的升高,鍍層中 In、Se含量會(huì)增加,鍍層形貌改善;隨著沉積電勢(shì)的負(fù)移,鍍層中 In、Ga含量增加,鍍層形貌改善;隨著鍍液中各主鹽濃度的增加,鍍層中相應(yīng)的金屬含量增加(GaCl3除

5、外)。另外,研究了退火處理過(guò)程對(duì)鍍層表面形貌、鍍層組成、鍍層物相的影響。研究發(fā)現(xiàn),退火處理有利于鍍層雜質(zhì)相的消除和結(jié)晶度的改善,但同時(shí)會(huì)造成鍍層中 Ga的流失,而得不到黃銅礦結(jié)構(gòu)的 CIGS薄膜。
　　采用循環(huán)伏安法(CV)結(jié)合 EDS測(cè)試對(duì)一元 CuCl2、InCl3、GaCl3、SeCl4體系,二元 CuCl2+SeCl4、InCl3+SeCl4、GaCl3+SeCl4體系,三元 CuCl2+InCl3+SeCl4體系,四元

6、CuCl2+InCl3+GaCl3+SeCl4體系的電沉積行為進(jìn)行了研究。研究表明,在二元體系中,Cu-Se的形成過(guò)程滿足 Kroger機(jī)理,In3+和 Ga3+均發(fā)生欠電勢(shì)沉積;在三元體系中,In3+并入 CIS鍍層有兩種途徑,一是與 Cu2+和Se發(fā)生共沉積,生成 CuInSe2,二是 In3+直接還原為In;在四元體系中,Ga3+并入 CIGS鍍層也有兩種途徑,一是與 In3+、Cu2+和 Se發(fā)生共沉積,二是由 Ga3+直接還原