濺射預(yù)制層固態(tài)源硒化法制備CIGS（銅銦鎵硒）薄膜太陽電池.pdf

1、CIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽電池由于成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高，沒有衰退被認為是最有發(fā)展前景的電池之一。CIGS太陽電池的結(jié)構(gòu)主要包括CIGS薄膜、緩沖層CdS薄膜、窗口層ZnO和ZnO：Al薄膜，其核心是作為吸收層的CIGS薄膜。CIGS薄膜的制備有兩種技術(shù)路線，即共蒸發(fā)法和濺射后硒化法。共蒸發(fā)法特點是薄膜質(zhì)量好，容易實現(xiàn)元素的梯度分布，電池轉(zhuǎn)換效率高，世界紀錄小面積電池效率19.5％和大面積120×60cm2組件效率超過13％都是由蒸發(fā)

2、法制備的。但是該方法對設(shè)備要求嚴格，蒸發(fā)過程不容易控制，大面積均勻性與連續(xù)化生產(chǎn)難度很大。濺射后硒化法是先按照元素比例濺射沉積金屬預(yù)制層，在Se氣氛中硒化反應(yīng)形成銅銦硒(簡稱CIS)或銅銦鎵硒(簡稱CIGS)化合物半導(dǎo)體薄膜。雖然目前濺射后硒化法制備的電池轉(zhuǎn)換效率低于共蒸發(fā)法，但它是最容易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)途徑，該方法制備的大面積CIGS薄膜均勻性好，設(shè)備和工藝比較容易實現(xiàn)。濺射后硒化法工業(yè)化技術(shù)國外均使用硒化氫(H2Se)為硒

3、源，其優(yōu)點是Se的活性強，容易與金屬預(yù)制層反應(yīng)生成化合物半導(dǎo)體，硒化后的CIGS薄膜結(jié)構(gòu)和性能都很好。但H2Se氣體劇毒，易燃易爆，安全性不好，價格昂貴，運輸儲存困難，不符合安全、環(huán)保、廉價的發(fā)展方向。 本論文以固態(tài)硒顆粒為硒源，采用濺射后硒化制備CIGS薄膜材料和電池器件，重點研究了固態(tài)源硒化技術(shù)，系統(tǒng)地總結(jié)、歸納實驗研究成果以及國外關(guān)于CIGS薄膜太陽電池的材料和器件的物理結(jié)構(gòu)以及化學(xué)物理特性等理論。圍繞硒化理論、制備技術(shù)、

4、工藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面開展多項研究。 理論上分析了CIGS薄膜能帶結(jié)構(gòu)與電池性能的關(guān)系，根據(jù)Ga的在硒化過程中的遷移擴散機理，實驗研究預(yù)制層結(jié)構(gòu)、Ga元素擴散與硒化參數(shù)三者之間的關(guān)系，改造硒化設(shè)備條件，根據(jù)Ga的最佳分布曲線，研究出多靶順序濺射預(yù)制層、高溫、高硒壓快速退火等技術(shù)，有效控制Ga元素的擴散遷移，首次采用固態(tài)源硒化法成功地控制鎵在CIGS薄膜中實現(xiàn)梯度分布，增加薄膜表面帶隙，提高了電池的量子效率和開路電壓，Voc達到56

5、0mv。 首次對硒化亞銅的形成機理、物理特性等進行了系統(tǒng)地研究。從理論和實驗兩個方面分析和研究硒壓、薄膜成分、硒化溫度曲線、預(yù)制層結(jié)構(gòu)等條件對Cu2-xSe結(jié)晶的影響，掌握了Cu2-xSe的結(jié)晶與分解條件，提出具體的抑制方法，包括降低預(yù)制層表面銅的比例、提高硒壓、提高升溫速率和硒化溫度等方法，最大程度上抑制了CIGS薄膜表面Cu2-xSe的結(jié)晶。在薄膜整體銅含量較高的情況下，采用相對簡單的方法成功消除CIGS薄膜表面的硒化亞銅，

6、有效提高電池的填充因子和開路電壓，有效地改善了工藝穩(wěn)定性。 通過系統(tǒng)地總結(jié)固態(tài)源硒化法制備CIGS薄膜太陽電池材料的工藝體系。在設(shè)備結(jié)構(gòu)、濺射工藝的調(diào)整、硒化溫度曲線、硒源硒壓的控制等提出了工藝指導(dǎo)原則。通過研究硒化過程中的薄膜結(jié)晶質(zhì)量與相變，包括薄膜的成分及結(jié)構(gòu)，制定了工藝控制條件，論文研究證明了固態(tài)源硒化法在保證薄膜結(jié)晶質(zhì)量的情況下同樣可以控制Ga元素的分布并抑制Cu2-xSe的結(jié)晶。采用濺射預(yù)制層固態(tài)硒后硒化方法研制出最高