對(duì)濺射法制備的銅銦鎵硒吸收層與摻鋁氧化鋅窗口層結(jié)構(gòu)與性能的研究.pdf

1、煤炭、石油等化石能源的大量消耗與需求已造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題與社會(huì)問題。為了實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，人們亟需尋求清潔的可再生能源，太陽能有希望成為未來人類社會(huì)主要能源之一。通過太陽能電池的光伏效應(yīng)，使太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，將是利用太陽能最直接的方式。銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池以其較高的光電轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)秀的穩(wěn)定性及相對(duì)較低的成本引起了人們廣泛的關(guān)注。
　　 在CIGS薄膜太陽能電池中，功能層的質(zhì)量對(duì)電池的性能有著較

2、大的影響。電池窗口層的質(zhì)量不僅影響著電池在近紫及紅外波段的量子效率，同時(shí)還左右著電池的串聯(lián)電阻從而影響著電池的短路電流，而電池吸收層的質(zhì)量決定了電池pn結(jié)的質(zhì)量進(jìn)而影響著電池的開路電壓。在制作太陽能電池組件時(shí)，通常將電池單元以串聯(lián)后并聯(lián)在一起以獲得較大的輸出功率，電池單元的性能差異將導(dǎo)致組件性能變壞。在生產(chǎn)過程中通常會(huì)采用刻劃的方式，將制得的疊層薄膜分割成小面積電池后進(jìn)行串并聯(lián)組裝，因此制得組成與性能均勻的薄膜，對(duì)制作電池單元及電池組件

3、均有較大的意義。此外，由于在制備CIGS薄膜時(shí)需要一定量的稀有元素金屬銦與鎵，銦資源的短缺將限制CIGS薄膜太陽能電池的商業(yè)化發(fā)展，而Cu2ZnSnS4(CZTS)以其原材料儲(chǔ)量豐富且同樣優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性能的特點(diǎn)，成為極具潛力的CIGS薄膜替代材料。
　　 本論文分別對(duì)CIGS薄膜太陽能電池的CIGS吸收層與ZnO窗口層進(jìn)行了研究，并試圖制備出結(jié)構(gòu)與性能均勻的高質(zhì)量薄膜，同時(shí)還對(duì)使用濺射法制備CZTS薄膜進(jìn)行了一定的探索。論文

4、可分為三大部分，具體內(nèi)容如下:
　　 第一部分主要研究了使用傳統(tǒng)的濺射后硒化工藝制備的薄膜太陽能電池吸收層CIS/CIGS薄膜。在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)地研究了使用共濺射法制備金屬預(yù)制層不同濺射參數(shù)并區(qū)分出各個(gè)濺射參數(shù)對(duì)薄膜組分及成分的影響程度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬預(yù)制層成分與組分較準(zhǔn)確地調(diào)控;通過模擬計(jì)算的方式，得出了在硒化處理時(shí)，預(yù)制層表面的溫度分布，并以石墨與石英材料為例，研究了硒化反應(yīng)器材質(zhì)對(duì)硒化過程中預(yù)制層表面溫度分布的差異;對(duì)富銦預(yù)

5、制層與富銅預(yù)制層的硒化結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致測試分析，利用模擬計(jì)算結(jié)果，研究了預(yù)制層中的銦參與硒化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理與反應(yīng)歷程，并發(fā)現(xiàn)在硒化過程中由于CuIn2與Cu11In9及Cu與In擴(kuò)散系數(shù)的差異使得硒化后薄膜表面呈富銦態(tài)，同時(shí)指出由于對(duì)預(yù)制層硒化處理時(shí)預(yù)制層表面各處溫度的差異，將導(dǎo)致預(yù)制層與環(huán)境中Se發(fā)生的反應(yīng)相異，從而造成了制得的薄膜不均勻;通過在硒化前在預(yù)制層表面引入外源性Na元素，顯著地改善了在濺射后硒化制備CIGS薄膜時(shí)在薄膜底部出

6、現(xiàn)的相分離現(xiàn)象，得到了組成均勻的CIGS薄膜，同時(shí)Na的引入還有效降低了硒化反應(yīng)的反應(yīng)溫度。
　　 第二部分研究了使用射頻濺射的方式直接濺射沉積氧化鋅窗口層。實(shí)驗(yàn)對(duì)射頻濺射沉積本征氧化鋅的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，制得高質(zhì)量的ZnO薄膜，薄膜在可見光波段的平均透過率超過85％;通過對(duì)ZnO薄膜的X射線衍射譜(XRD)與略入射X射線衍射（GIXRD）的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)濺射制得的ZnO晶粒呈六方相沿著c軸方向垂直于襯底表面生長，同時(shí)在晶粒的頂部形成

7、了(103)晶面，使薄膜中晶粒呈一定的尖錐狀;由薄膜的X射線光電子能譜(XPS)測試發(fā)現(xiàn)，不同的退火工藝對(duì)退火后薄膜中氧空位缺陷的濃度有較大的影響，結(jié)合XRD的衍射峰移動(dòng)推知射頻濺射沉積的氧化鋅中氧空位將使得氧化鋅晶格參數(shù)減小;射頻濺射工藝制得的摻鋁氧化鋅薄膜結(jié)晶性較好，薄膜平整且在可見光波段透過率接近85％，但其成分、結(jié)構(gòu)、光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)均存在著不均勻性，研究發(fā)現(xiàn)這些這些性能的差異于薄膜晶粒中的鋁摻雜，特別是間隙位鋁有較大關(guān)系，進(jìn)一步

8、的實(shí)驗(yàn)與理論研究表明，薄膜中間隙位鋁的差異與薄膜中鋁的相對(duì)含量變化有關(guān)，而鋁的相對(duì)含量的變化則是由濺射過程中不同空間位置鋅與鋁濺射產(chǎn)額的差異引起，為了制備性能較均勻的摻鋁氧化鋅薄膜，可以將襯底置于特定的位置，使用離軸濺射的方式進(jìn)行薄膜的沉積。
　　 第三部分是對(duì)濺射后硫化法制備CZTS薄膜的初步探索，嘗試了使用共濺射金屬靶材的方式制備預(yù)制層以避免硫化物對(duì)濺射腔體的污染，同時(shí)對(duì)不同的硫化處理方式、硫化處理時(shí)間及溫度，以及硫化處理時(shí)