磁控溅射制备CIGS薄膜太阳能电池的研究

论文摘要

CuIn1-xGaxSe2（CIGS）薄膜太阳能电池以其效率高、稳定性强、耐辐射、耗材少等众多优点成为近些年太阳能电池领域的研究热点。这种电池的性能主要由吸收层CIGS薄膜的质量决定,目前其主要制备方法有:共蒸发法、金属预置层后硒化法、电沉积法和喷雾高温分解法等,然而由于CIGS薄膜结构复杂,结晶成膜要求条件较高,以共蒸发法和金属预制层后硒化法为主的制备方法还存在着各种各样的问题,阻碍了其产业化的进程。本文利用磁控溅射方法制备了CIGS薄膜太阳能电池各层薄膜,研究了溅射的工艺参数以及退火温度对薄膜结构和各种性能的影响,研究的结果不但有利于制备具有特定.吸收层,缓冲层和窗口层,更有利于简化CIGS薄膜电池制备工艺。本文在综合评述CIGS薄膜太阳能电池研究进展的基础上,对CIGS的结构和特性进行了计算,并采用磁控溅射方法分别在玻璃衬底上制备了不同工艺参数的吸收层CIGS薄膜、缓冲层ZnS薄膜和窗口层ZnO/ZnO:Al（ZAO）薄膜,随后在Ar的保护下对样品进行高温退火处理。采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X-射线荧光光谱仪（XRF）等设备研究了制备的工艺参数对各种薄膜的相结构、表面形貌、薄膜成分以及电学和光学等性能的影响。得到如下结果:采用基于密度泛函理论（DFT）框架下广义梯度近似的PBE平面波超软赝势方法计算了CuInGaSe2（CIGS）和CuInAlSe2（CIAS）的电子结构及光学性质。计算结果表明黄铜矿型CIGS和CIAS都是直接带隙半导体材料,禁带宽度分别为1.34eV,1.50eV。计算并对比分析了CIGS和CIAS的态密度,吸收系数,反射率,复介电函数和折射指数随光子能量的变化关系。结果表明CIAS的禁带宽度偏大,导致了它的吸收光谱和复介电函数虚部相对于CIGS发生了蓝移,并且反射率较低。不同条件下制备的CuInSe2（CIS）薄膜受靶材功率和温度的影响比较大,功率的大小决定了薄膜的成分,温度主要影响薄膜的结构和性能。制备的样品经560℃左右的温度退火后表现了良好的黄铜矿晶体结构,并且SEM图显示,此时样品表面平整致密,均匀性好;580℃退火的样品表面测出现了龟裂现象。利用CuIn、CuGa和Se靶材三靶共溅射制备的CIGS薄膜经560℃退火后也表现了良好的黄铜矿晶体结构,表面形貌良好,只是成分与CuIn0.7Ga0.3Se2中各种元素的化学计量比稍少有偏差。利用射频溅射制备的ZnS缓冲层的结构性能主要受工作气压和溅射功率的影响较大。气压为0.2Pa时制备的薄膜结晶良好,当气压升高到1.0Pa时,制备的薄膜基本呈非晶状;低功率下制备的薄膜也是成非晶状,随功率的增大,结晶状况逐渐得到改善。窗口层ZnO:Al（ZAO）的电阻率随着工作气压的增大而增大,随着溅射功率的增大而减小。不同条件下制备的样品的透光率都在80%以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池理论基础
• 1.2.1 pn 结的形成
• 1.2.2 pn 结的光生伏特效应
• 1.2.3 太阳能电池的伏安特性
• 1.2.4 太阳能电池的表征
• 1.2.5 太阳电池效率分析
• 1.3 太阳能电池的分类
• 1.3.1 Si 基太阳能电池
• 1.3.2 Ⅲ-Ⅴ 族化合物太阳电池
• 1.3.3 Ⅱ-Ⅵ 族化合物太阳电池
• 1.3.4 染料敏化太阳能电池
• 1.3.5 Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ 族化合物太阳电池
• 1.4 吸收层的制备方法
• 1.4.1 多元共蒸发法
• 1.4.2 金属预置层后硒化法
• 1.4.3 电沉积法
• 1.4.4 旋涂法（spin coating）
• 1.5 课题的提出及主要研究内容
• 1.5.1 研究的意义
• 1.5.2 研究内容
• 2 薄膜的制备和表征方法
• 2.1 磁控溅射
• 2.1.1 磁控溅射的原理
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 薄膜的生长
• 2.2.1 溅射的成膜过程
• 2.2.2 薄膜的生长模式与过程
• 2.3 薄膜表征
• 2.3.1 膜厚的测量
• 2.3.2 X-射线衍射
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.3.4 X-射线荧光光谱
• 2/CuInAlSe₂电子结构与光学特性的计算'>3 CuInGaSe₂/CuInAlSe₂电子结构与光学特性的计算
• 3.1 计算模型与方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 能带结构与态密度
• 3.2.2 光学特性
• 3.4 小结
• 4 溅射制备CIGS 吸收层及性能研究
• 4.1 CIGS 材料特性
• 4.2 样品制备
• 4.3 CIS 薄膜结构的分析
• 4.3.1 衬底温度对薄膜结构的影响
• 4.3.2 退火温度对薄膜结构的影响
• 4.4 薄膜表面形貌的分析
• 4.4.1 不同衬底温度下的CIS 薄膜的SEM 分析
• 4.4.2 不同退火温度下的CIS 薄膜的SEM 分析
• 4.5 Ga 的掺入制备CIGS
• 4.6 小结
• 5 缓冲层和窗口层的制备与性能研究
• 5.1 缓冲层ZnS
• 5.1.1 ZnS 样品的制备
• 5.1.2 ZnS 实验结果
• 5.2 窗口层 ZnO
• 5.2.1 ZAO 实验结果
• 5.3 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的成果
• 致谢