CIGSe薄膜太阳能电池缓冲层及本征ZnO层的制备及性能研究

【摘要】： Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳能电池由于光电转化效率高、性能稳定、制造成本低等优点,被认为是最有希望的第三代太阳能电池之一。缓冲层和本征ZnO层是CIGS的重要组成部分。 本文的研究内容包括:采用化学浴(CBD)方法制备了CdS薄膜,考查了工艺参数对薄膜性能的影响;采用真空蒸发的方法制备了ZnSe薄膜,考查了工艺参数对薄膜性能的影响;采用中频交流磁控溅射方法制备了本征ZnO薄膜,考查了制备工艺对ZnO薄膜的影响。 研究结果表明,采用以上三种方法分别可以制备表面致密,结晶良好,透过率高,可以满足太阳能电池要求的缓冲层和本征ZnO窗口层。 采用CBD方法制备CdS薄膜过程中,考查了溶液pH值、缓冲剂浓度、沉积时间、沉积温度和基底种类对CdS薄膜的性能的影响。发现溶液pH值、缓冲剂浓度和沉积温度对薄膜特性起决定性作用。获得了CBD方法制备CdS薄膜的优化工艺:CdSO4(0.018M) 50ml,硫脲(0.9M) 50ml,氨水(25%) 30ml,去离子水470ml。在这种工艺参数下制备的薄膜具有立方晶体结构,表面致密,双层膜的可见光透过率在80%以上。 采用真空蒸发制备ZnSe薄膜过程中,考查了蒸发时间,基底温度和退火时间对薄膜特性的影响。经过系统的实验和检测,获得了制备ZnSe薄膜的优化工艺:蒸发时间75s,基底温度175℃,300℃条件下退火。所得薄膜具有(111)择优生长面,表面致密,均匀,透过率高。 系统的研究了制备本征ZnO薄膜的工艺参数,包括基底温度、氧分压、溅射时间和溅射电流等对薄膜性能的影响。获得了制备ZnO薄膜的优化工艺参数:本底真空3.0×10-3Pa,基底温度200℃,溅射气压1.0Pa,氧分压2.0%,溅射电流0.5A,溅射时间10min,所得到的ZnO薄膜具有优良的结晶特性、良好的透过率和足够大的方块电阻。 【关键词】：太阳能电池 CdS薄膜 ZnSe薄膜 ZnO薄膜
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-12
• 第1章 前言12-37
• 1.1 太阳能电池的发展背景12-13
• 1.2 太阳能电池的概念及工作原理13-14
• 1.2.1 太阳能电池的概念13
• 1.2.2 太阳能电池的工作原理13-14
• 1.3 太阳能电池的研究现状14-15
• 1.4 我国太阳电池的研究现状15
• 1.5 太阳能电池的分类15-17
• 1.5.1 硅系列太阳能电池15-16
• 1.5.2 聚合物多层修饰电极型太阳能电池16
• 1.5.3 纳米晶化学太阳能电池16-17
• 1.5.4 化合物薄膜太阳能电池17
• 1.6 太阳能电池的应用前景17-18
• 1.7 CIGSe 太阳能电池发展现状18-20
• 1.7.1 CIGSe 的材料性能18-19
• 1.7.2 CIGSe 系薄膜太阳能电池的优点19-20
• 1.7.3 CIGSe 太阳能电池的发展现状20
• 1.8 CIGSe 薄膜太阳能电池的结构组成20-21
• 1.9 CIGSe 薄膜太阳能电池的制备工艺流程21-22
• 1.10 研究CIGSe 太阳能电池的意义22
• 1.11 缓冲层的作用22-24
• 1.11.1 CIGSe 薄膜太阳电池异质结能带模型22-24
• 1.11.2 CIGSe 太阳电池对缓冲层的性能要求24
• 1.12 缓冲层所用材料及制备方法24-30
• 1.12.1 CdS 缓冲层24-27
• 1.12.1.1 CdS 缓冲层的作用25
• 1.12.1.2 CdS 缓冲层的制备方法25-26
• 1.12.1.3 CBD 方法制备CdS 薄膜的优点26
• 1.12.1.4 CBD 方法制备CdS 薄膜的缺点26
• 1.12.1.5 研究CdS 薄膜制备工艺的意义26-27
• 1.12.1.6 问题的提出27
• 1.12.2 ZnSe 缓冲层27-30
• 1.12.2.1 ZnSe 缓冲层的性能28
• 1.12.2.2 ZnSe 薄膜的制备方法28-29
• 1.12.2.3 真空蒸发制备ZnSe 的优缺点29
• 1.12.2.4 问题的提出29-30
• 1.13 本征ZnO 薄膜的制备30-36
• 1.13.1 ZnO 薄膜的性能30
• 1.13.2 本征ZnO 薄膜的作用30-31
• 1.13.3 ZnO 薄膜的制备方法31-35
• 1.13.3.1 直流溅射31-33
• 1.13.3.2 射频溅射33-34
• 1.13.3.3 磁控溅射34-35
• 1.13.4 问题提出35-36
• 1.14 主要研究内容36
• 1.15 技术路线36-37
• 第2章 实验方法及实验仪器37-46
• 2.1 CdS 薄膜的制备37-40
• 2.1.1 化学浴沉积CdS 薄膜的原理37-38
• 2.1.2 化学浴沉积溶液的组成38
• 2.1.3 化学浴沉积的设备38-40
• 2.2 ZnSe 薄膜的制备40-42
• 2.2.1 ZnSe 薄膜制备设备40-42
• 2.2.2 制备ZnSe 薄膜所用原料42
• 2.3 本征ZnO 薄膜的制备42-43
• 2.3.1 本征ZnO 薄膜制备所用设备42-43
• 2.3.2 制备ZnO 薄膜所用靶材43
• 2.4 基底的制备43-44
• 2.4.1 玻璃基底的制备43-44
• 2.4.2 CIGSe 基底的制备44
• 2.5 主要性能测试仪器44-45
• 2.6 其它辅助设备45-46
• 第3章 CdS 薄膜的制备及性能分析46-96
• 3.1 CdSO4 体系溶液沉积CdS 薄膜及性能分析46-67
• 3.1.1 沉积条件46-47
• 3.1.1.1 沉积溶液组成46-47
• 3.1.1.2 其它条件47
• 3.1.2 溶液pH 值对薄膜特性的影响47-52
• 3.1.2.1 pH 值对薄膜表面形貌的影响47-49
• 3.1.2.2 pH 值对薄膜透过率的影响49
• 3.1.2.3 pH 值对CdS 薄膜成分的影响49-50
• 3.1.2.4 pH 值对晶体结构的影响50-52
• 3.1.3 缓冲剂浓度对薄膜特性的影响52-55
• 3.1.3.1 缓冲剂调节溶液pH 值的原理52-53
• 3.1.3.2 缓冲剂浓度对CdS 薄膜表面形貌的影响53-54
• 3.1.3.3 缓冲剂对薄膜可见光透过率的影响54-55
• 3.1.4 沉积时间对薄膜特性的影响55-60
• 3.1.4.1 沉积时间对薄膜表面形貌的影响55-57
• 3.1.4.2 沉积时间对薄膜厚度的影响57-58
• 3.1.4.3 沉积时间对薄膜透过率的影响58-59
• 3.1.4.4 沉积时间对CdS 薄膜晶体结构的影响59-60
• 3.1.4.5 沉积时间对薄膜成分的影响60
• 3.1.5 沉积温度对CdS 薄膜特性的影响60-63
• 3.1.5.1 沉积温度对表面形貌的影响60-62
• 3.1.5.2 沉积温度对薄膜透过率的影响62-63
• 3.1.6 沉积基底对CdS 薄膜特性的影响63-65
• 3.1.7 加热方式对薄膜特性的影响65-67
• 3.2 Cd(CH_3COO)_2 体系溶液沉积CdS 薄膜及性能分析67-81
• 3.2.1 溶液组成67
• 3.2.2 pH 值对薄膜特性的影响67-70
• 3.2.2.1 pH 值对表面形貌的影响68-69
• 3.2.2.2 pH 值对可见光透过率的影响69-70
• 3.2.3 沉积时间对薄膜特性的影响70-72
• 3.2.3.1 沉积时间对薄膜表面形貌的影响70-71
• 3.2.3.2 沉积时间对薄膜可见光透过率的影响71-72
• 3.2.4 沉积温度对薄膜特性的影响72-74
• 3.2.4.1 沉积温度对薄膜表面形貌的影响72-73
• 3.2.4.2 沉积温度对薄膜可见光透过率的影响73-74
• 3.2.5 沉积基底对薄膜特性的影响74-76
• 3.2.6 Cd(CH_3COO)_2 溶液体系和CdSO_4 溶液体系的比较76-81
• 3.2.6.1 不同沉积温度条件下两种溶液体系沉积CdS 薄膜的比较76-77
• 3.2.6.2 不同沉积时间条件下两种溶液体系沉积CdS 薄膜的比较77-79
• 3.2.6.3 不同氨水体积条件下两溶液体系沉积CdS 薄膜的比较79-81
• 3.3 络合剂对CdS 薄膜性质的影响81-89
• 3.3.1 溶液组成81-82
• 3.3.2 柠檬酸溶液体系中各实验参数对CdS 薄膜性能的影响82-89
• 3.3.2.1 pH 值对CdS 薄膜性能的影响82-86
• 3.3.2.2 沉积温度对薄膜特性的影响86-88
• 3.3.2.3 沉积时间对薄膜特性的影响88-89
• 3.4 溶液稳定性研究89-94
• 3.4.1 溶液的组成90
• 3.4.2 溶液静置时间对薄膜性能的影响90-94
• 3.4.2.1 静置时间对表面形貌的影响91-93
• 3.4.2.2 静置时间对薄膜透过率的影响93-94
• 3.5 本章结论94-96
• 第4章 ZnSe 薄膜制备及性能研究96-121
• 4.1 ZnSe 薄膜的特性96-99
• 4.1.1 ZnSe 薄膜的本征吸收96-97
• 4.1.2 ZnSe 薄膜的结构97-98
• 4.1.3 ZnSe 薄膜的表面形貌98-99
• 4.2 工艺参数对ZnSe 薄膜性能的影响99-117
• 4.2.1 蒸发时间对ZnSe 薄膜性能的影响100-107
• 4.2.1.1 蒸发时间对薄膜表面形貌的影响100-102
• 4.2.1.2 蒸发时间对薄膜表面粗糙度的影响102-104
• 4.2.1.3 蒸发时间对薄膜晶体结构的影响104-105
• 4.2.1.4 蒸发时间对薄膜厚度的影响105
• 4.2.1.5 蒸发时间对薄膜光透过率的影响105-107
• 4.2.2 基底温度对薄膜性能的影响107-112
• 4.2.2.1 基底温度对表面形貌的影响107-108
• 4.2.2.2 基底温度对薄膜表面粗糙度的影响108-110
• 4.2.2.3 基底温度对薄膜晶体结构的影响110
• 4.2.2.4 基底温度对薄膜光透过率的影响110-112
• 4.2.2.5 基底温度对薄膜沉积速率的影响112
• 4.2.3 退火温度对薄膜性能的影响112-117
• 4.2.3.1 退火条件对薄膜表面形貌的影响113-114
• 4.2.3.2 退火条件对薄膜晶体结构的影响114-115
• 4.2.3.3 退火条件对薄膜光透过率的影响115-117
• 4.3 ZnSe 薄膜制备工艺的优化117-119
• 4.3.1 薄膜表面形貌分析117-118
• 4.3.2 薄膜晶体结构分析118-119
• 4.3.3 薄膜透过率及厚度分析119
• 4.4 本章结论119-121
• 第5章 本征ZnO 薄膜的制备与性能研究121-137
• 5.1 基底温度对薄膜特性的影响122-125
• 5.1.1 基底温度对表面形貌的影响122-123
• 5.1.2 基底温度对薄膜透过率的影响123-124
• 5.1.3 基底温度对晶体结构的影响124-125
• 5.1.4 基底温度对ZnO 薄膜沉积速率的影响125
• 5.2 溅射电流对薄膜特性的影响125-129
• 5.2.1 溅射电流对薄膜表面形貌的影响126-127
• 5.2.2 溅射电流对薄膜透过率的影响127
• 5.2.3 溅射电流对薄膜晶体结构的影响127-128
• 5.2.4 溅射电流对薄膜沉积速率的影响128-129
• 5.3 氧分压对薄膜特性的影响129-132
• 5.3.1 氧分压对ZnO 表面形貌的影响129-130
• 5.3.2 氧分压对薄膜透过率的影响130
• 5.3.3 氧分压对晶体结构的影响130-132
• 5.3.4 氧分压对沉积速率的影响132
• 5.4 溅射时间对薄膜特性的影响132-135
• 5.4.1 溅射时间对薄膜表面形貌的影响132-133
• 5.4.2 溅射时间对薄膜晶体结构的影响133-134
• 5.4.3 溅射时间对透过率的影响134-135
• 5.4.4 溅射时间对薄膜厚度的影响135
• 5.5 本章结论135-137
• 第6章 结论137-139
• 参考文献139-143
• 致谢143-144
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果144

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