柔性不銹鋼襯底銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池研究.pdf

1、不銹鋼襯底銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池有兩個問題不同于玻璃襯底電池，一是不銹鋼襯底表面粗糙度對金屬Mo電極和CIGS薄膜結構的影響，二是金屬元素Fe向CIGS薄膜內(nèi)擴散，導致電池效率下降。因此，研究其內(nèi)在原因所造成的影響，并研究其相應的措施來降低或消除其不利影響，提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率是本論文所要研究的中心內(nèi)容。
　　 本論文針對不銹鋼(簡稱SS)襯底對CIGS太陽電池材料與器件的影響展開了一系列研究，其中包括SS襯底表面對電池材

2、料結構的影響，襯底的金屬雜質(zhì)向電池內(nèi)部擴散及分布，CIGS晶面擇優(yōu)取向形成及控制對器件性能的影響，開發(fā)雜質(zhì)阻擋層和和電絕緣層。研究的結果在制備SS襯底CIGS薄膜電池的過程中得以驗證。
　　 SS襯底對Mo薄膜的結構和形貌的研究結果表明：在SS上沉積Mo電極具有與玻璃襯底Mo有相同的晶體結構和表面形貌，只是不銹鋼襯底上的Mo薄膜晶粒間隙較大，存在較多孔洞。
　　 金屬雜質(zhì)向電池內(nèi)部擴散的研究結果表明，襯底溫度是Fe擴散的

3、必要條件，襯底溫度低于450℃時幾乎不發(fā)生Fe擴散，此時Fe在CIGS內(nèi)的含量低于In元素4個半個量級。襯底溫度每升高50℃，CIGS內(nèi)Fe含量升高一個數(shù)量級。襯底溫度為500℃時，擴散進Mo/CIGS系統(tǒng)中的Fe原子易于聚集在薄膜表面ODC區(qū)域、CIGS/Mo界面處。隨著襯底溫度升高至550℃，F(xiàn)e在CIGS/Mo界面及CIGS內(nèi)部趨向于均勻分布。Fe在CIGS薄膜中可能的表現(xiàn)形式有兩種，一種是Fe原子代替薄膜內(nèi)部的金屬原子，如In(

4、Ga)、Cu，形成FeIn(Ga)、FeCu缺陷：另外一種是Fe與Se發(fā)生化學反應形成Fe-Se的化合物，如Fe3Se4等，但因該物質(zhì)含量較少，從XRD中檢測不出來。Fe在Mo中主要呈梯度分布，其含量主要受內(nèi)部結構缺陷密度影響，與溫度關系不大。另外，實驗表明水浴制備CdS時，F(xiàn)e不具備從溶液擴散進入CIGS的溫度和濃度，電池性能沒有受到影響。
　　 在三步蒸發(fā)法低溫制備不銹鋼襯底CIGS薄膜電池吸收層時，高Se束流增大了CIGS

5、晶粒尺寸，降低了CIGS薄膜的結構缺陷，使Fe的總體含量降低。尤其是CIGS表面、CIGS/Mo界面處的Fe含量降低更加明顯。通過工藝的優(yōu)化，制備出了無阻擋層、未摻Na的不銹鋼襯底CIGS薄膜電池，其轉(zhuǎn)換效率達到了12.1％(該結果由中國科學院太陽光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)質(zhì)量檢測中心標定)。
　　 在研究CIGS薄膜晶面擇優(yōu)取向時獲知，三步蒸發(fā)法制備CIGS過程第一步襯底溫度Ts1是形成CIGS薄膜(220)擇優(yōu)取向的必要條件

6、，第二步襯底溫度Ts2對CIGS薄膜擇優(yōu)取向的影響與其Cu-rich生長階段有關，未經(jīng)過Cu-rich階段的CIGS薄膜，Ts2的增加會促進CIGS的(112)晶面生長；Fe的摻雜會使(112)晶面不穩(wěn)定，抑制了(112)晶面的生長，相應地促進了CIGS薄膜(220)晶面生長；不銹鋼襯底上(220)-CIGS薄膜表面附近仍以(220)取向為主，而玻璃襯底上(220)-CIGS薄膜表面附近卻以(112)取向為主。Na和Fe共摻雜時，CIG

7、S薄膜的(112)取向增強，表明與Fe摻雜相比，Na的摻雜對(112)晶面的影響更大，這主要是Na-Se偶極子的動量較大的緣故。在研究晶面取向?qū)ζ骷阅苡绊懼邪l(fā)現(xiàn)，SS襯底CIGS電池Voc、Jsc和FF隨著CIGS結構(220)晶面取向強度增加而單調(diào)上升，而玻璃襯底電池卻表現(xiàn)出先增高后減小的趨勢，用晶界中性勢壘模型對此兩種現(xiàn)象進行了初步的解釋。
　　 論文中對于阻擋金屬原子向CIGS內(nèi)部擴散作了多項研究，其中根據(jù)Fe貯留在結構

8、缺陷的特性，對Mo薄膜制備多層結構用以產(chǎn)生大量界面，結果表明具有多界面的Mo薄膜對Fe具有很好的阻擋作用，電池的效率提高明顯；另外本征ZnO、金屬Cr薄膜都做了一系列實驗，但都不是最理想的材料。
　　 AIN材料耐高溫、性能穩(wěn)定，將其作為SS襯底的阻擋層與電絕緣層，不僅明顯的阻擋金屬原子擴散，而且經(jīng)高溫過程后仍保持其高阻特性，可以滿足不銹鋼襯底阻擋雜質(zhì)與電絕緣的雙重功能，為內(nèi)聯(lián)式不銹鋼襯底薄膜電池組件奠定了基礎。AIN與Mo薄膜