CIGS薄膜太阳能电池的工艺研究与制造

【摘要】：太阳能电池作为发展最快的清洁能源,具有无噪声、无污染、不受地域的限制、利用成本低的特点。近几年来薄膜电池得到了高速发展,其中铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、高吸收效率和转化效率、吸收层材料禁带宽度可调等优点,受到了国际光伏界的广泛关注。 本文在查阅国内外大量文献资料的基础上,系统阐述了CIGS太阳能电池的结构、工作原理、性能参数及各参数对电池特性的影响。针对现行CIGS共蒸发和后硒化法工艺相对复杂、制备周期较长的缺点,实验创新采用了在薄膜沉积工艺中较为成熟的溅射技术,射频磁控溅射得到CIGS吸收层,所用靶材是烧结CIGS靶材,并对底电极Mo、吸收层CIGS、缓冲层CdS、窗口层ZnO与ZAO进行单项工艺研究。实验中尝试改变溅射气压、衬底温度、退火条件、溶液配比等工艺参数,并借助场发射电镜(FESEM)、光电子能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、紫外分光光度计等测试,对薄膜的微观结构、透射率、电阻率等光学、电学性质进行分析,以优化工艺参数,得到品质较好的单层薄膜。 实验采用双层溅射法在玻璃衬底上得到结合优良且电阻率较低的Mo电极;在衬底加热下的条件下射频磁控溅射得到了与Mo结合较好的CIGS薄膜,通过退火提高了晶化程度并降低了薄膜电阻率;通过调整溶液配比,用化学水浴法制备得到了相对平整均匀、在580nm以上具有高透射率的CdS缓冲层,并对溅射法制备CdS进行了初步研究;采用溅射工艺制备了对可见光具有高透过性的ZnO与ZAO窗口层,通过提高溅射气压,降低了ZAO边沿处的电阻率并增大了禁带宽度;利用硬掩膜遮挡,溅射得到了图形化好的Al电极。最后,制备得到了CIGS太阳能电池原型器件,测量其转换效率为2.14% 【关键词】：太阳能电池 铜铟镓硒 薄膜 磁控溅射 化学水浴沉积
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 太阳能电池的发展11-21
• 1.1 太阳能电池发展现状11-12
• 1.2 太阳能电池的分类12-16
• 1.2.1 硅基太阳能电池12-13
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 有机薄膜太阳能电池14-15
• 1.2.4 纳米薄膜太阳能电池15-16
• 1.3 CIGS 太阳能电池的发展与现状16-18
• 1.4 本课题的主要研究内容与研究意义18-19
• 参考文献19-21
• 第二章 CIGS 太阳能电池的结构与原理21-30
• 2.1 太阳能电池原理21-25
• 2.1.1 p-n 结21-22
• 2.1.2 光电效应22-23
• 2.1.3 太阳能电池特性参数23-24
• 2.1.4 太阳能电池等效电路24-25
• 2.2 CIGS 太阳能电池结构及工作原理25-29
• 参考文献29-30
• 第三章 CIGS 太阳能电池的工艺研究30-66
• 3.1 磁控溅射30-32
• 3.2 衬底的选择与清洗32-33
• 3.3 底电极Mo 的制备33-36
• 3.3.1 溅射功率对成膜速率及质量的影响33-34
• 3.3.2 溅射气压对薄膜质量及电阻率的影响34-35
• 3.3.3 薄膜的表面形貌和相结构35-36
• 3.3.4 Mo 电极制备方案36
• 3.4 吸收层CIGS 的制备36-44
• 3.4.1 CIGS 材料特性及其制备工艺36-38
• 3.4.2 成膜情况初析38-39
• 3.4.3 衬底温度与后退火对显微结构的影响39-42
• 3.4.4 溅射条件与退火对薄膜电阻率的影响42-43
• 3.4.5 CIGS 薄膜的光吸收特性43-44
• 3.5 缓冲层CdS 的制备44-52
• 3.5.1 CdS 材料特性44-45
• 3.5.2 CBD 法与RF 磁控溅射制备CdS45-47
• 3.5.3 成膜情况初析47-48
• 3.5.4 工艺参数对显微形貌和相结构的影响48-51
• 3.5.5 CdS 薄膜的光透过性51-52
• 3.6 窗口层i-ZnO 与n-ZnO 的制备52-60
• 3.6.1 i-ZnO 与n-ZnO 的材料特性52-54
• 3.6.2 成膜情况初析54
• 3.6.3 工艺参数对显微形貌和相结构的影响54-57
• 3.6.4 溅射气压对ZAO 电阻率的影响57-58
• 3.6.5 ZnO 与ZAO 薄膜的光透过性分析58-60
• 3.7 上电极的制备60-63
• 参考文献63-66
• 第四章 原型器件的制备及测试结果66-71
• 4.1 工艺整合中遇到的问题及解决办法66-67
• 4.2 器件制备工艺流程67-68
• 4.3 电池性能测试结果及分析68-70
• 参考文献70-71
• 第五章 总结和展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利74-75
• 附录75-77

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