Cu（In，Al）Se2（CIAS）薄膜材料制备工艺与性能的研究

论文摘要

近年来,铜铟硒类薄膜太阳能电池由于材料较佳的光学能隙（Eg）、吸收率高（105/cm）、抗辐射能力强和长期稳定的性能而备受人们关注,而且其生产也正趋于工业化,如何降低生产成本和提高电池的转换效率成为研究的重点,其中吸收层材料是影响电池光电转化率的关键因素。研究发现,通过用Ga和Al部分替代In进行调节,可获得较宽的禁带宽度和太阳光谱的匹配度,从而提高CIS类薄膜太阳电池的光电转换效率,而且还可以降低材料的成本。这就是本次实验的研究意义所在,用A1来部分的替代In,形成Cu（In1-xAlx）Se2混溶晶体材料,并研究材料的性能。本文采用直流磁控溅射方法交替溅射,工艺简便、元素成分易于控制,在玻璃衬底上溅射沉积制备CuIn1-xAlx（简称CIA）预制层膜,然后对制备得到的预制层膜进行硒化,在Se气氛中硒化形成CIAS薄膜。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDX）、四探针电阻测试仪、分光光度计对薄膜进行检测与分析,研究最佳的制备工艺。磁控溅射法制备得到的CIA预制层膜对其制备工艺非常敏感,选用两种溅射靶材,靶材A、B可调In-A1面积。实验结果表明,靶材B的In-A1面积为0.12时,得到的预制层膜成分最接近理想的化学计量比。本次试验主要研究制备工艺条件对预制层膜的影响,着重考查溅射气压、溅射距离、溅射功率、不同的溅射顺序对CIA预制层膜成分和性能影响,并对薄膜表面形貌进行了观察和分析。CIA预制层薄膜表面平整、致密。热处理后的预制层膜内Cu和In能有效的结合,Al主要以固溶体的形式存在。CIA预制层薄膜表面有细小颗粒生成。采用固态源硒化法对CIA预制层膜进行硒化处理,调节衬底温度、硒化时间,实验发现,预制层膜先经过热处理退火再硒化,得到的CIAS薄膜质量较好。通过XRD分析表明,CIAS薄膜中主要生成的CIAS相,在（112）方向上择优生长。A1部分替代In的晶格位置,使得CuIn晶格常数减小。因此,Al含量对薄膜的表面形貌、结构和透过率有一定的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池的研究背景
• 1.2 太阳能电池简介
• 1.2.1 太阳能电池原理
• 1.2.2 太阳能电池的种类
• 1.3 CuInSe2薄膜电池的发展与现状
• 1.4 铜铟硒（CIS）类太阳电池的结构
• 2）类薄膜的结构与性能'>1.5 铜铟硒（CuInSe₂）类薄膜的结构与性能
• 2材料的结构特性'>1.5.1 CuInSe₂材料的结构特性
• 2材料的光学性质'>1.5.2 CuInSe₂材料的光学性质
• 2材料的电学性质'>1.5.3 CuInSe₂材料的电学性质
• 2材料的影响'>1.5.4 掺杂对CuInSe₂材料的影响
• 1.5.5 硒化条件对材料性能的影响
• 1.6 CIS薄膜太阳电池的主要制备方法
• 1.6.1 溅射法制备CIS薄膜
• 1.6.2 真空蒸镀法制备CIS薄膜
• 1.6.3 电沉积方法
• 1.6.4 分子束外延技术
• 1.6.5 喷涂热解法
• 1.7 目前存在的问题
• 1.8 论文选题
• 1-xAl_x)Se₂薄膜材料的制备及分析方法'>第二章 Cu(In_1-xAl_x)Se₂薄膜材料的制备及分析方法
• 2.1 磁控溅射法制备CIAS薄膜
• 2.1.1 磁控溅射法制备CIA预制层膜
• 2.1.2 固态源硒化法制备CIAS薄膜
• 2.2 检测设备
• 2.2.1 X射线衍射仪（XRD）
• 2.2.2 扫描电镜（SEM）
• 2.2.3 能谱仪（INCA）分析
• 2.2.4 四探针法测量电阻率
• 2.2.5 薄膜厚度测试
• 2.2.6 薄膜的可见光谱测试
• 1-xAl_x)Se₂薄膜性能分析'>第三章 磁控溅射再硒化法制备Cu(In_1-xAl_x)Se₂薄膜性能分析
• 3.1 溅射功率与靶材沉积速率的关系
• 本节小结
• 3.2 溅射工艺对CIA预制层薄膜成分的影响与分析
• 3.2.1 溅射面积对CIA预制层薄膜的成分影响与分析
• 3.2.2 溅射顺序对CIA预制层膜成分影响分析
• 3.2.3 溅射时间对CIA预制层薄膜成分影响分析
• 本节小结
• 3.3 热处理对CIA预制层薄膜的影响与分析
• 3.3.1 热处理对CIA预制层膜成分的影响与分析
• 3.3.2 热处理对CIA预制层膜表面形貌与结构的影响与分析
• 本节小结
• 3.4 硒化工艺对CIAS薄膜性能影响与分析
• 3.4.1 硒化工艺对薄膜成分的对比分析
• 3.4.2 硒化工艺对薄膜表面形貌的影响与分析
• 3.4.3 硒化工艺对薄膜结构的影响与分析
• 3.4.5 CIAS薄膜的电性能分析
• 3.4.6 CIAS薄膜光学性能分析
• 本节小结
• 3.5 铝含量对CIAS薄膜的影响与分析
• 3.5.1 铝含量对CIAS薄膜表面形貌的影响与分析
• 3.5.2 铝含量对CIAS薄膜晶体结构的影响与分析
• 3.5.3 铝含量对CIAS薄膜电阻率的影响与分析
• 3.5.4 铝含量对CIAS薄膜透过率的影响与分析
• 本节小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢