新型化合物黄铜矿（CIGSS）光伏特性及其在薄膜太阳电池中的应用

【摘要】：能源危机与环境污染是现代社会所面临的主要问题，太阳能具有清洁、取之不尽、用之不竭等优点，无疑是一种理想能源，成为解决能源危机、环境污染等问题的有效途径。太阳电池是太阳能利用的主要形式，目前在各种太阳电池材料中，单晶硅成本高，制造过程中耗能高、污染大；非晶硅太阳电池的稳定性较差；砷化镓、碲化镉对环境的污染较大；有机太阳电池效率较低。比较而言，采用I-III-VI2族黄铜矿化合物Cu(In,Ga)(Se,S)_2材料来制备太阳电池具有很多优点：Cu(In,Ga)(Se,S)_2化合物材料光学禁带可调，适合于调整和优化禁带宽度；具有非常高的光吸收系数，制备的太阳电池只有数微米，降低了原材料的消耗与减轻了电池的重量；电池使用寿命长，无光致衰退效应，在弱光条件下性能依然良好，在空间应用中也具有非常良好的抗干扰、抗辐射能力以及光电转换效率高等优点。 因此I-III-VI2族的Cu(In,Ga)(Se,S)_2基太阳电池被认为是最有发展前景的薄膜太阳电池之一。在I-III-VI2族的Cu(In,Ga)(Se,S)_2基太阳电池中，尽管Cu(In,Ga)Se_2太阳电池实验室光电转换效率已达20.3%，且很多公司已经产业化生产了CuInS_2，Cu(In,Ga)Se_2，Cu(In,Ga)(Se,S)_2等I-III-VI2族薄膜太阳电池，但电池的产业化效率依然低下以及制备成本居高不下。因此本文主要从提高太阳电池光电转换效率以及降低太阳电池的制造成本入手，使用新材料以及新的制备方法，利用真空蒸发以及硫化法制备了三种不同结构高质量的太阳电池吸收层薄膜，分别是真空三段共蒸发法制备的Cu(In,Ga)Se_2薄膜、真空蒸发Cu-In金属预制层后硫化法制备CuInS_2以及真空三段共蒸发Cu(In,Ga)Se_2后硫化法制备Cu(In,Ga)Se_2/Cu(In,Ga)(Se,S)_2太阳电池吸收层薄膜。 由于电子束蒸发聚焦的高能电子束可使高熔点元素迅速达到足够的高温以产生适量的蒸汽压，在蒸镀薄膜时可以实现快速蒸发，避免合金的分馏，聚焦的电子束又可以局部加热元素源，因不加热其他部分而避免坩埚材料的污染。因此本文根据所选择蒸发元素源的特性，通过电子束与电阻丝蒸发相结合的新方法，采用多元真空三段共蒸发法工艺制备Cu(In,Ga)Se_2薄膜，将传统光学薄膜的光控方法应用于Cu(In,Ga)Se_2薄膜制备的监控，利用晶振以及光量控制薄膜的沉积速率与膜厚，我们制备了高品质的太阳电池吸收层Cu(In,Ga)Se_2薄膜；通过优化器件结构，最终制备的Cu(In,Ga)Se_2太阳电池光电转换效率达15.57%。 首次采用廉价、无毒、不挥发、易于存放、常温下为液体的高反应性有机金属二丁基硫醚作为硫源，利用自主研发的装置，硫化真空蒸发沉积的Cu-In金属预制层制备太阳电池吸收层CuInS_2薄膜；通过研究CuInS_2薄膜光致发光光谱的激发光特性与温度特性，首次完整、系统的报道了CuInS_2薄膜本征缺陷能级示意图，为CuInS_2太阳电池的制备工艺提供了理论指导；通过优化硫化工艺，最终制备的CuInS_2太阳电池光电转换效率达1.28%。 首次采用廉价、无毒、不挥发、易于存放、常温下为液态，具有更高反应性的有机金属二丁基硫醚作为硫源，对真空三段共蒸发法制备的Cu(In,Ga)Se_2薄膜进行表面硫化处理，从而制备Cu(In,Ga)Se_2/Cu(In,Ga)(Se,S)_2太阳电池吸收层结构薄膜。通过优化硫化工艺路线，在Cu(In,Ga)Se_2薄膜表面硫化得到的Cu(In,Ga)(Se,S)_2厚度大约为200nm。研究表明Cu(In,Ga)Se_2薄膜经过表面硫化处理后薄膜的内部缺陷大量减少，电学性能得到了极大的改善，最终制备得电池器件的开路电压Voc与填充因子FF均相对提升5%左右，光电转换效率则相对提升约9%。 【关键词】：Cu(In Ga)(Se S)_2化合物 太阳电池 真空蒸发法 液态硫源 硫化法 光伏特性
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 太阳电池的研究背景13-14
• 1.2 太阳电池的原理14-18
• 1.3 太阳电池的分类18-22
• 1.3.1 硅基太阳电池18-19
• 1.3.2 有机太阳电池19-20
• 1.3.3 多元化合物太阳电池20-22
• 1.4 I-III-VI_2族黄铜矿化合物薄膜太阳电池发展历史与研究现状22-26
• 1.5 本论文的主要内容与创新点26-29
• 1.5.1 本文的主要内容27-28
• 1.5.2 本文的主要创新点28-29
• 参考文献29-31
• 第二章 I-III-VI_2族黄铜矿化合物薄膜太阳电池31-55
• 2.1 I-III-VI_2族黄铜矿化合物半导体材料的性质31-34
• 2.2 I-III-VI_2族黄铜矿化合物的缺陷34-36
• 2.3 薄膜太阳电池的结构36-38
• 2.3.1 Cu(In,Ga)Se_2薄膜太阳电池的基本结构36-37
• 2.3.2 产业化 CIGS 薄膜太阳电池的结构37-38
• 2.4 薄膜太阳电池吸收层制备技术38-44
• 2.4.1 真空蒸发法39-40
• 2.4.2 金属预制层后硒化/硫化技术40-42
• 2.4.3 电化学沉积42
• 2.4.4 印刷法42-44
• 2.5 化合物薄膜的性能表征手段44-50
• 2.5.1 X 射线衍射分析44-45
• 2.5.2 X 射线荧光分析45-46
• 2.5.3 扫描电子显微镜46-47
• 2.5.4 光致发光光谱47-50
• 2.6 本章小结50-51
• 参考文献51-55
• 第三章 真空三段共蒸发法制备吸收层 Cu(In,Ga)Se_2薄膜55-73
• 3.1 引言55-56
• 3.2 衬底材料的选择与 Mo 背电极的制备56-61
• 3.2.1 衬底材料的选择与清洗56-58
• 3.2.2 背电极 Mo 薄膜的沉积58-61
• 3.3 真空三段共蒸发法制备 CIGS 薄膜61-65
• 3.3.1 真空室的结构改造61-63
• 3.3.2 真空三段共蒸发法制备 CIGS 薄膜的工艺路线63-65
• 3.4 CIGS 薄膜的性能表征65-69
• 3.4.1 CIGS 薄膜的形态结构65-66
• 3.4.2 CIGS 薄膜的晶体结构66
• 3.4.3 CIGS 薄膜的缺陷66-69
• 3.5 本章小结69-70
• 参考文献70-73
• 第四章 真空蒸发沉积 Cu-In 预制层后硫化法制备吸收层 CuInS_2薄膜73-113
• 4.1 引言73-74
• 4.2 真空蒸发沉积 Cu-In 金属预制层74-76
• 4.3 预制层的硫化工艺76-78
• 4.4 CuInS_2薄膜的性能表征78-83
• 4.4.1 硫化温度对 CuInS_2薄膜性能的影响78-80
• 4.4.2 硫化时间对 CuInS_2薄膜性能的影响80-83
• 4.5 CuInS_2薄膜本征缺陷的分析83-108
• 4.5.1 光致发光的激发光特性84-89
• 4.5.2 光致发光的温度特性89-95
• 4.5.3 CuInS_2缺陷能级的识别95-108
• 4.6 本章小结108-109
• 参考文献109-113
• 第五章 真空蒸发后硫化法制备吸收层 Cu(In,Ga)Se_2/Cu(In,Ga)(Se,S)_2薄膜113-121
• 5.1 引言113-114
• 5.2 实验过程114-115
• 5.3 Cu(In,Ga)Se_2/Cu(In,Ga)(Se,S)_2薄膜的性能表征115-119
• 5.3.1 薄膜的形态结构115-117
• 5.3.2 薄膜的晶体结构117-118
• 5.3.3 薄膜的缺陷118-119
• 5.4 本章小结119-120
• 参考文献120-121
• 第六章 I-III-VI_2族薄膜太阳电池的制作与性能测试、分析121-131
• 6.1 引言121-122
• 6.2 化学水浴法制备缓冲层 CdS 薄膜122-123
• 6.3 磁控溅射法制备窗口层 i-ZnO、ZnO:Al 薄膜123-125
• 6.4 印刷法制备银电极125
• 6.5 电池性能测试125-128
• 6.6 本章小结128-129
• 参考文献129-131
• 第七章 总结与展望131-135
• 7.1 本论文主要工作与创新点131-132
• 7.2 今后工作的展望132-135
• 致谢135-137
• 攻读博士学位期间发表的论文137-138

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