超薄CIGS太陽(yáng)電池及組件的研究.pdf

1、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池具有高光吸收系數(shù)、高轉(zhuǎn)化效率、可調(diào)的禁帶寬度、高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有前途的薄膜太陽(yáng)電池。隨著銅銦鎵硒薄膜電池逐漸進(jìn)入量產(chǎn)階段，如何降低生產(chǎn)成本成為科研工作者共同追求的目標(biāo)。發(fā)展超薄CIGS吸收層電池不但可以減少In、Ga、Se等稀有元素的用量，降低原料成本，更能減少CIGS薄膜的沉積時(shí)間，減少能源消耗與人力成本，提高生產(chǎn)效率。此外，發(fā)展超薄電池可以用有限的資源生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，對(duì)提高

2、資源的利用效率也是非常重要的。因此，超薄吸收層電池已成為目前世界上CIGS電池研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文在綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)超薄CIGS吸收層電池及組件進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要取得如下研究成果:
　　通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了不同CIGS吸收層厚度對(duì)材料及電池特性的影響，確定了超薄電池的最佳臨界厚度在0.8-1.0μm之間。分別采用恒定襯底溫度順序蒸發(fā)法和三步法制備超薄CIGS電池，比較襯底溫度對(duì)超薄CIGS電池性能的影響。采用恒

3、定襯底溫度順序蒸發(fā)法制備CIGS吸收層，發(fā)現(xiàn)在襯底溫度為350℃時(shí)，由于CdS/CIGS陷光結(jié)構(gòu)及低含Ga相的存在，電池的短路電流升高明顯，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)換效率增加，而在三步法工藝中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。
　　研究了Ga在超薄電池中的作用:對(duì)比研究了Ga含量對(duì)超薄及常規(guī)厚度CIGS材料及電池性能影響的差異。研究發(fā)現(xiàn)Ga/(Ga+In)在0.20-0.36之間變化時(shí)，對(duì)1μm的CIGS薄膜結(jié)晶質(zhì)量影響不大，而2μm薄膜晶粒尺寸隨Ga含量的增加

4、而明顯減小;隨著Ga含量的增加，1μm薄膜的(112)衍射峰強(qiáng)度降低，而2μm薄膜的(112)衍射峰強(qiáng)度增加，但兩種厚度薄膜的擇優(yōu)取向同時(shí)逐漸減弱;在相同Ga含量情況下，1μm薄膜的最小帶隙值大于的2μm的薄膜，且1μm薄膜的最小帶隙值隨Ga含量增長(zhǎng)的更快，對(duì)Ga含量的變化更敏感;隨著Ga含量的增加，1μm薄膜電阻率降低，而2μm薄膜電阻率逐漸增加。通過(guò)不同厚度的電池器件特性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Ga含量對(duì)超薄電池性能的影響更明顯，其增加會(huì)導(dǎo)致1μ

5、m厚度的電池開(kāi)路電壓快速增加，進(jìn)而引起電池轉(zhuǎn)化效率較大提升。在Ga/(Ga+In)約為0.37時(shí)，1μm的超薄電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。在三步法中第一步采用不同Ga-In間隔時(shí)間制備Ga的背梯度，雖然較大的間隔時(shí)間可提高Ga的背梯度，但由于影響了薄膜結(jié)晶質(zhì)量，對(duì)超薄電池性能改善微弱。第三步采用In/Ga沉積工藝，可以改善薄膜內(nèi)部Ga的V型分布，增大超薄電池的開(kāi)路電壓和短路電流密度，使電池效率得到提升，1μm厚吸收層電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13.

6、2％。
　　在超薄CIGS材料制備工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，嘗試了一些其他改善超薄電池的工藝技術(shù):①提出了在CIGS/Mo界面處添加CIS或CGS界面層的工藝技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)該工藝可以改善薄膜結(jié)晶狀況、使薄膜更加致密均勻，有效降低了超薄電池的并聯(lián)電導(dǎo)值，提高了電池的開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率。②對(duì)蒸發(fā)法制備CIGS薄膜表面的三角形小島及孔洞的特性和形成過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為三角形小島的形成受薄膜Cu含量影響很大，而三角形孔洞的形成則主要是三角形小島生

7、長(zhǎng)擴(kuò)展不充分引起的。對(duì)含有三角形小島和沒(méi)有三角形小島的薄膜制備的超薄電池進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有三角形小島的電池效率有所提高。③采用前摻NaF工藝制備超薄CIGS電池，發(fā)現(xiàn)僅靠從蘇打玻璃(SLG)襯底擴(kuò)散來(lái)的Na無(wú)法滿足超薄CIGS電池，需要額外補(bǔ)充Na;由于Na對(duì)薄膜缺陷的鈍化，以及CIGS/Mo界面處有NaF的殘留，使得電池并聯(lián)電導(dǎo)值降低，長(zhǎng)波光生載流子收集增強(qiáng)，超薄電池特性得到改善。通過(guò)SIMS測(cè)試發(fā)現(xiàn)CIGS薄膜內(nèi)Na與Ga的分布形