铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池的制备

论文摘要

太阳能作为一种新型清洁能源,是未来社会的主要能源之一。目前市场上仍以Si太阳电池为主,Cu（InGa）Se2（CIGS）薄膜太阳能电池具有转换效率高、廉价、稳定等特点。随着资源和环境的要求,以CIGS为主要材料的太阳电池市场化成为必然。三步共蒸发法是目前应用最广泛也是最受研究人员青睐的工艺,该方法制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已高达19.99%。而溅射硒化法,工艺流程容易控制,适合产业化生产。目前国外电池组件的转化效率一般在12-13%,我国的研究还刚刚起步,和国外水平还有很大差距。本论文主要研究一种操作简单、可控、适合产业化需要的技术工艺,即溅射制备合金预制膜后硒化的制备方法。首先,在不锈钢衬底上制备厚度约1微米的Mo电极,在溅射过程中通过改变工作气压,溅射双层Mo金属膜,使Mo电极具有类似层状结构,消除了内应力的影响,从而提高了Mo电极和玻璃衬底之间,及其和CIGS吸收层之间的附着力。然后,在沉积有Mo电极的玻璃衬底上,通过磁控溅射的方法制备约700纳米厚度的Cu（InGa）预制层薄膜,靶材采用自制的Cu（InGa）合金靶。硒化采用在低温和高温过程依次进行的2步方法,采用固态硒源,避免了剧毒的H2Se气体的生成。通过在低温区保温30分钟,再在高温区保温25分钟,制备出了性能较好的CIGS吸收层薄膜,具有（112）晶面择优取向,显示明显的黄铜矿单一结构。薄膜表面平整,晶粒大小均匀、排列紧密。分别用化学水浴法和真空蒸镀法制备CdS窗口层。分析比较两种方法制备出的CdS薄膜,发现采用真空蒸镀法制备的CdS薄膜的透光性高于化学水浴法制备的CdS薄膜。最后,用直流磁控溅射的方法,制备一定厚度的Al电极,完成了CIGS薄膜太阳电池的制备。对器件的性能做了测试分析,电池两端开路电压大概在30-40mv。该研究采用的CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺简单、过程容易控制、设备和材料费用低,没有采用剧毒的气源,适合大规模产业化的要求,为以后进一步的研究开发做了技术储备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池的发展现状
• 1.3 太阳能电池的工作机理
• 1.4 太阳能电池分类
• 1.4.1 硅基太阳能电池
• 1.4.2 多元化合物薄膜太阳能电池
• 1.4.3 有机薄膜类太阳能电池
• 1.4.4 纳米晶薄膜太阳能电池
• 1.5 CIGS太阳能电池
• 1.5.1 CIGS太阳能电池的发展现状
• 1.5.2 CIGS太阳能电池的结构
• 1.5.3 CIGS薄膜的制备方法
• 1.5.4 CdS薄膜的制备方法
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 实验原理和设备
• 2.1 真空蒸发镀膜原理
• 2.2 磁控溅射原理
• 2.3 薄膜生长
• 2.3.1 薄膜生长机理
• 2.3.2 薄膜生长原理
• 2.4 化学水浴法（CBD）
• 2.4.1 CBD原理
• 2.4.2 CBD的微观机制
• 2.5 实验设备
• 2.6 实验原料
• 2.7 基片
• 2.7.1 衬底的选择
• 2.7.2 基片的清洗
• 2.8 真空度的确定
• 2.9 薄膜性能表征
• 2.9.1 薄膜厚度测量方法
• 2.9.2 X射线衍射（XRD）分析
• 2.9.3 扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析
• 2.9.4 薄膜光学性能的测量
• 2.9.5 薄膜电阻的测量
• 第3章 CIGS太阳能电池薄膜的制备及表征
• 3.1 Mo电极层
• 3.1.1 Mo电极层的优越性
• 3.1.2 Mo电极层的制备
• 3.1.3 Mo电极层的表征及结果分析
• 3.2 光吸收层（CIGS）
• 3.2.1 CIGS制备方法选择
• 3.2.2 光吸收层（CIGS）的制备
• 3.2.3 CIG的表征及结构分析
• 3.2.4 光吸收层（CIGS）的表征及结果分析
• 3.3 窗口层（CdS）
• 3.3.1 CdS的性质
• 3.3.2 CdS薄膜的制备
• 3.3.3 CdS薄膜的表征及结果分析
• 3.4 Al电极的制备
• 第4章 CIGS薄膜太阳能电池性能表征
• 4.1 太阳能电池元件的性能表征
• 4.2 CIGS薄膜太阳电池的制备、表征
• 4.2.1 CIGS薄膜太阳能电池的制备
• 4.2.2 CIGS薄膜太阳能电池的表征
• 4.3 工作分析
• 4.4 展望
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢