后处理工艺对CuInS_2薄膜及太阳能电池的光电性能的影响

【摘要】：Cu In S2是一种重要的三元I-III-VI2族化合物直接带隙半导体材料,禁带宽度为1.5e V,与太阳能电池所需的最佳值(1.45e V)接近,是理想的太阳能电池材料。其光吸收系数高达105cm-1,而且还具有无毒、抗辐射能力强、稳定性好等特点。本论文主要采用真空蒸发法制备Cu In S2薄膜以及利用不同后处理工艺对Cu In S2薄膜光电性能进行研究;同时,制备和研究了如下结构的多层太阳能电池:玻璃/Mo/CIS/Cd S/i-Zn O:Zn O(Al)/Al。通过使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)等测试手段对相关材料的结构和光电性能进行表征研究。主要研究结果如下:1.真空蒸发法制备的Cu In S2薄膜比较致密,形成了均匀连续的薄膜。经过400oC硫氛围慢速退火后,形成了沿(112)择优取向的黄铜矿结构的Cu In S2薄膜,薄膜光电性能得到明显改善。2.利用功率为6.8W的氩等离子轰击Cu In S2薄膜的表面,轰击不同的时间。研究发现,氩等离子轰击提高了薄膜的吸收率,薄膜表面的团簇粒子被有效去除,表面粗糙度降低,致密度非常好;并且随着轰击时间的增加,薄膜电阻率降低。3.利用溴甲醇溶液腐蚀Cu In S2薄膜,能有效去除薄膜表面的CuxS团簇粒子,取10μl和25μl溴分别跟100ml甲醇溶液混合,形成二种腐蚀液,并腐蚀不同时间。通过XRD和AFM等测试发现,在相同腐蚀浓度下,随着腐蚀时间的增加,薄膜表面变得更加平坦,薄膜电阻率降低,吸收率增加。4.对Cu In S2太阳能电池的Mo、Cd S、Zn O薄膜进行了工艺优化研究,并得到如下较优的工艺。采用磁控溅射,分别在溅射功率80W,氩气压强1.4Pa,溅射1min和溅射功率60W,氩气压强0.2Pa溅射10min制备出了粘附性好,电阻率低的双层Mo背电极。采用水浴法加热制备均匀连续的缓冲层Cd S薄膜,工艺方案为:20m L浓度为0.1mol/L的Zn(NO3)2,0.5ml氨水,1.5m L水合肼,2m L浓度为1mol/L的醋酸铵,20m L浓度为0.2mol/L的硫脲,形成混合溶液,最后加入干净的衬底,将溶液加热至80oC,1h后取出衬底。采用磁控溅射法,在溅射功率为160W,氩气压强为1.3Pa的条件下分别溅射10min、30min制备了光透过率比较高的i-Zn O和电阻率低的掺Al Zn O薄膜。 【关键词】：Cu InS2薄膜 热退火 溴甲醇腐蚀
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13
• 1.2 太阳能电池的工作原理13-14
• 1.3 太阳能电池的分类14-18
• 1.3.1 硅系太阳能电池15-16
• 1.3.2 染料敏化纳米晶太阳能电池16
• 1.3.3 多元化合物薄膜太阳能电池16-18
• 1.4 CuInS_2 太阳电池简介18-23
• 1.4.1 CuInS_2 材料的性质18-20
• 1.4.2 CuInS_2 薄膜的制备方法20-23
• 1.4.3 CuInS_2 电池的发展历程23
• 1.5 论文的研究目的、意义和内容23-25
• 第二章 CuInS_2薄膜以及器件的实验方法和表征测试介绍25-35
• 2.1 CuInS_2 薄膜的制备以及后处理工艺25-27
• 2.1.1 衬底的处理25
• 2.1.2 CuInS_2 薄膜的制备25-27
• 2.1.3 CuInS_2 薄膜的后处理27
• 2.2 CuInS_2 薄膜太阳能电池的设计与制备27-29
• 2.2.1 Mo薄膜背接触层28
• 2.2.2 CuInS_2 薄膜吸收层28
• 2.2.3 CdS缓冲层28
• 2.2.4 i-ZnO/ZnO(Al) 窗口层28-29
• 2.3 表征、测试设备介绍29-35
• 2.3.1 X射线衍射仪29-30
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析30
• 2.3.3 能谱分析30-31
• 2.3.4 紫外-可见分光光度计31
• 2.3.5 拉曼光谱仪31-32
• 2.3.6 台阶仪32
• 2.3.7 霍尔效应测试系统32-33
• 2.3.8 原子力显微镜33-35
• 第三章 CuInS_2薄膜的表征与研究35-49
• 3.1 CuInS_2 薄膜的退火处理35-36
• 3.1.1 XRD分析35-36
• 3.1.2 CuInS_2 薄膜的Raman分析36
• 3.2 CuInS_2 薄膜的等离子刻蚀36-41
• 3.2.1 XRD分析36-37
• 3.2.2 形貌分析37-38
• 3.2.3 紫外可见吸收光谱分析38-40
• 3.2.4 电学性能分析40-41
• 3.3 CuInS_2 薄膜的溴甲醇腐蚀41-47
• 3.3.1 XRD分析41-42
• 3.3.2 形貌及成分分析42-44
• 3.3.3 原子力显微镜44-45
• 3.3.4 紫外可见吸收光谱分析45-47
• 3.3.5 电学性能分析47
• 3.4 本章小结47-49
• 第四章 CuInS_2太阳能电池各层薄膜的表征与研究49-59
• 4.1 背电极Mo层的分析49-51
• 4.1.1 XRD分析49-50
• 4.1.2 AFM分析50-51
• 4.1.3 紫外可见吸收光谱分析51
• 4.1.4 电学性能分析51
• 4.2 缓冲层CdS层的分析51-53
• 4.2.1 XRD分析51-52
• 4.2.2 拉曼光谱分析52-53
• 4.3 窗口层ZnO层的分析53-57
• 4.3.1 XRD分析53-54
• 4.3.2 紫外可见光谱分析54-55
• 4.3.3 AFM测试55-57
• 4.3.4 电学性能分析57
• 4.4 CuInS_2 太阳能电池性能57-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 结论与展望59-62
• 5.1 结论59-60
• 5.2 展望60-62
• 参考文献62-67
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文67-68
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目68-69
• 致谢69

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