铜铟镓硒薄膜太阳能电池CIGS吸收层的制备与性能研究

【摘要】：铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池具有转化效率高、成本较低、适合大规模生产等优点。其吸收层属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体材料，具有1.04-1.65eV的可调禁带宽度和高达105cm-1的吸收系数。本文采用CIGS四元靶进行直流磁控溅射，制备吸收层CIGS薄膜，并研究溅射参数和退火工艺对其结构、形貌、成分和性能的影响。 采用直流磁控溅射的方法制备得到底电极Mo层，并研究了其结构、表面形貌以及电学性能。研究表明所制备的Mo膜表面平整致密，结晶性好，厚度约为1μm,方块电阻约为0.12Ω/sq，满足高性能器件的要求。 采用直流磁控溅射的方法在底电极Mo层表面制备得到吸收层CIGS薄膜。研究表明衬底温度对CIGS薄膜的结晶性起到决定性作用。随着衬底温度的升高，薄膜的结晶性得到改善，晶粒尺寸逐渐增大，电阻率减小，载流子浓度增加；但衬底温度过高，薄膜会出现相分离的现象。工作气压对制备的CIGS薄膜有明显的影响。随着工作气压逐渐升高，薄膜的结晶性变差，致密度有所下降。另外，随着工作气压的升高，CIGS薄膜的载流子浓度先减小后增大，而载流子迁移率的变化规律恰恰相反。薄膜的电阻率受到载流子浓度、迁移率以及Cu2-xSe二次相的共同影响，呈现下降趋势。所制备CIGS薄膜的禁带宽度均在1.6-1.7eV之间，随着[Ga]/[Ga+In]值的增加而增大。 采用快速热退火工艺对CIGS薄膜进行退火处理。研究表明，随着退火温度的升高，薄膜的结晶性变好，逐渐形成(112)纤维织构，并释放出大部分残余应力；但当退火温度过高时，CIGS层会与Mo层发生分离，并产生大量杂相。另外，经过退火处理的CIGS薄膜载流子浓度增加，电阻率减小；但当退火温度达到550°C时，薄膜的电阻率大大提高，而载流子浓度则相对减小。 【关键词】：铜铟镓硒 直流溅射 CIGS四元化合物靶 织构
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 太阳能电池的发展9-10
• 1.1.1 太阳能电池的研究背景9
• 1.1.2 太阳能电池的发展现状9-10
• 1.2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池简介10-17
• 1.2.1 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展11-12
• 1.2.2 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的结构及工作原理12-13
• 1.2.3 铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法13-17
• 1.3 铜铟镓硒薄膜的物理性质17-22
• 1.3.1 铜铟镓硒薄膜的光学特性17-18
• 1.3.2 铜铟镓硒薄膜的电学特性18-20
• 1.3.3 铜铟镓硒薄膜的材料特性20-22
• 1.4 本论文的研究内容与创新点22-24
• 第2章 铜铟镓硒薄膜的制备和表征方法24-33
• 2.1 实验材料24
• 2.2 实验主要仪器及设备24-26
• 2.2.1 磁控溅射设备24-25
• 2.2.2 快速退火设备25-26
• 2.3 实验方案26-28
• 2.3.1 衬底的选择与清洗26
• 2.3.2 底电极 Mo 层的制备工艺26-27
• 2.3.3 吸收层 CIGS 薄膜的制备工艺27-28
• 2.3.4 吸收层 CIGS 薄膜的退火工艺28
• 2.4 表征方法28-33
• 2.4.1 X 射线衍射分析28-31
• 2.4.2 拉曼光谱分析31
• 2.4.3 场发射扫描电子显微镜分析31
• 2.4.4 四探针测试仪31
• 2.4.5 霍尔效应测试仪31-32
• 2.4.6 紫外可见光分度计32-33
• 第3章 铜铟镓硒薄膜的制备及性能研究33-49
• 3.1 底电极钼层的制备与表征33-34
• 3.2 吸收层铜铟镓硒薄膜的制备与表征34-47
• 3.2.1 衬底温度对铜铟镓硒薄膜的影响研究34-41
• 3.2.2 工作气压对铜铟镓硒薄膜的影响研究41-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第4章 退火工艺对铜铟镓硒薄膜结构和性能的影响49-58
• 4.1 CIGS 薄膜的退火工艺49
• 4.2 退火温度对铜铟镓硒薄膜结构的影响49-53
• 4.2.1 退火温度对铜铟镓硒薄膜物相的影响49-50
• 4.2.2 退火温度对铜铟镓硒薄膜织构的影响50-52
• 4.2.3 退火温度对铜铟镓硒薄膜残余应力的影响52-53
• 4.3 退火温度对铜铟镓硒薄膜形貌的影响53-55
• 4.4 退火温度对铜铟镓硒薄膜电学性能的影响55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 结论58-59
• 参考文献59-66
• 致谢66

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