CIS类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究

论文摘要

太阳能是“取之不尽,用之不竭”的清洁和可再生能源。铜铟硒类薄膜太阳能电池具有优异的光电转换性能而受到广泛关注。CuInSe2（简称CIS）是一种直接带隙材料,其光吸收系数高达105数量级,是目前己知光吸收性最好的半导体薄膜材料之一。CIS类薄膜太阳能电池以CIS为吸收层、以CdS为缓冲层,光电转换效率较高。太阳光的最佳吸收能隙在1.45eV,CuInSe2的带隙为1.04eV,为了提高带隙宽度,通常掺入Ga,形成CuInGaSe四元化合物。鉴于In和Ga均为昂贵金属,本文通过在CIS中掺入廉价的金属Al形成CuInAlSe（CIAS）,改变材料的禁带宽度,以提高太阳能电池的转换效率。缓冲层CdS中的Cd有毒,本文制备无毒的ZnS替代CdS做为太阳能电池的缓冲层材料,对环境保护有利。本文首先在玻璃衬底真空上蒸镀Cu-In和Cu-In-Al金属多层膜以及后硒化退火的方法,制得了CIS和CIAS薄膜。然后以ZnSO4·7H2O和CS（NH2）2为原料,以NH3·H2O为络和剂,用化学水浴沉积法（CBD）制得了ZnS薄膜。进而,对制得的样品用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDX）、四探针电阻测试仪、分光光度计等进行了检测,并对结果进行了分析。吸收层电性能测试结果显示,CIS薄膜的电阻率在3.68×10-4Ω·cm与1.89Ω·cm之间。当Cu、In、Se的比例在1:1:2附近时,薄膜样品的电阻率在1.0Ω·cm数量级,CIAS薄膜的电阻率较CIS薄膜的低,最高为0.66×10-3Ω·㎝。SEM观察发现CIS薄膜样品的形貌随各元素比例不同而有差异。在化学计量比附近,富Cu的样品晶粒较大。XRD物相分析显示,在化学计量比附近能够获得单一物相的CIS多晶薄膜,Al替代部分In后,CIAS保持了黄铜矿型结构。分光光度计检测结果显示,两种薄膜样品的透光率在5%以下。SEM观察发现,ZnS薄膜表面形貌呈球形,颗粒细小;四探针电阻测试显示ZnS薄膜的电阻率大于1.0kΩ·cm,这样的电阻率满足制作太阳能电池的要求。XRD物相分析显示,ZnS薄膜呈非晶或微晶状态。分光光度计检测说明ZnS薄膜样品的透光率在可见光波段大都在80%以上,其性能均显示了ZnS薄膜适于做太阳能电池缓冲层材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 太阳能电池的发展历程
• 1.2 CIS 太阳能电池的发展历史和研究现状
• 1.2.1 国外CIS 太阳能电池的发展历史和现状
• 1.2.2 国内CIS 太阳能电池的发展历史和现状
• 1.3 太阳能电池的原理
• 1.4 CIS 类太阳能电池的结构
• 1.5 铜铟硒（CIS）材料的性质和制备工艺
• 1.5.1 铜铟硒（CIS）材料的性质
• 1.5.2 铜铟硒（CIS）类薄膜的制备工艺
• 1.6 ZnS 材料的性质和制备工艺
• 1.6.1 ZnS 在CIS 类薄膜太阳能电池中的应用
• 1.6.2 ZnS 材料的性质
• 1.6.3 ZnS 材料的性质和制备工艺
• 1.7 论文选题
• 第二章 实验过程
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 DMX-220A 型真空镀膜机
• 2.1.2 空心阴极离子镀膜机
• 2.1.3 电热恒温水浴锅
• 2.2 检测设备
• 2.3 工装的制作与设备应用
• 2.3.1 真空室支架的设计与改装
• 2.3.2 加热源材料的选择与设计
• 2.3.3 硒化装置的设计
• 2.4 实验过程
• 2.4.1 多层膜方法制备Cu-In 合金层
• 2.4.2 硒化和退火过程
• 2.4.3 ZnS 薄膜样品的制备
• 第三章 测试结果与分析
• 3.1 CIS 薄膜的测试结果与分析
• 3.1.1 合金层的制备分析
• 3.1.2 形貌观察与微观结构分析
• 3.1.3 各元素的比例与晶粒大小的关系
• 3.1.4 电性能分析
• 3.1.5 光学性能分析
• 本章小结
• 3.2 CIAS 薄膜的制备和检测分析
• 3.2.1 SEM 形貌观察与分析
• 3.2.2 微观结构分析
• 3.2.3 电性能分析
• 本章小结
• 3.3 ZnS 薄膜的制备及检测分析
• 4 浓度及衬底对ZnS 薄膜厚度的影响'>3.3.1 ZnSO₄ 浓度及衬底对ZnS 薄膜厚度的影响
• 3.3.2 电学性能分析
• 3.3.3 透过率检测结果与分析
• 3.3.4 XRD 检测结果与分析
• 3.3.5 SEM 表面形貌检测结果与分析
• 3.3.6 能谱检测结果与分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录：攻读硕士期间发表的论文