| 题名 | Ⅰ-Ⅲ(Ⅱ/Ⅳ)-Ⅵ族化合物薄膜太阳电池的制备工艺和性能研究 |
| 作者 | 崔艳峰 |
| 答辩日期 | 2011-06-03 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 褚君浩 |
| 关键词 | 薄膜太阳能电池 铜铟镓硒薄膜 铜铟硫薄膜 铜锌锡硫薄膜 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 最近，刚刚发生的日本福岛核电站的核泄漏事故再一次给人类敲响了警钟，让人们认识到开发可再生清洁能源已经刻不容缓。太阳能电池的应用可同时解决能源与污染两个问题，是未来太阳能利用的主要方向，已经越来越引起人们的重视。其中，Ⅰ-Ⅲ(Ⅱ/Ⅳ)-Ⅵ族化合物薄膜太阳能电池因其高效率、低成本和对环境友好的特点而被广泛关注，成为最有发展前景的薄膜太阳能电池。本论文主要研究了Cu(In,Ga)Se2、CuInS2、Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSn(S,Se)4几种薄膜太阳能电池的吸收层和电池器件的制备工艺及性能，分别采用磁控溅射和电化学沉积的方法制备了电池的吸收层材料，并对其晶体结构、形貌和光学性质等进行了研究，在此基础上制备了Cu(In,Ga)Se2和CuInS2电池器件，得到了3%和3.4%的转换效率。论文分为六章，具体内容如下：在第一章中，我们首先介绍了太阳能电池的原理、历史和种类，然后分别介绍了Cu(In,Ga)Se2、CuInS2、Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSn(S,Se)4几种薄膜太阳能电池的发展以及各吸收层材料的制备方法。第二章中我们主要研究了Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池。首先，我们对缓冲层CdS薄膜进行了详细的研究。分别采用溅射法、传统化学水浴法和优化的化学水浴法制备了CdS薄膜，比较了这几种生长方法得到的CdS薄膜的性质差异，发现优化的化学水浴法生长的CdS薄膜性质最好。可见光范围内的透过率达到80%,禁带宽度为2.4eV，薄膜致密，表面光滑平整，适合做电池的缓冲层。我们通过直流磁控溅射制备Cu-In-Ga预制膜，然后进行硒化制备了吸收层Cu(In,Ga)Se2薄膜，探讨了溅射功率和衬底对薄膜的影响，并对薄膜的晶体结构、形貌和光学性质进行了分析，发现50W的溅射功率和Mo衬底上生长的Cu(In,Ga)Se2薄膜质量好一些，薄膜致密，有明显的柱状晶粒，晶粒尺寸较大，适合做电池的吸收层。在此基础上制备了结构为玻璃/Mo/ Cu(In,Ga)Se2/CdS/i-ZnO/ZnO:Al的电池器件，得到了3%的光电转换效率。第三章我们对CuInS2薄膜太阳能电池进行了研究。主要采用了低成本的电化学方法来制备吸收层材料，为大面积产业化应用奠定了基础。我们采用一步共沉积制备Cu-In-S预制膜后硫化的方法制备出了CuInS2薄膜，并探讨了电解液中Cu2+浓度对薄膜的影响。发现当Cu2+浓度为7.8mM时，薄膜为单一的、具有理想化学计量比的、禁带宽度为1.5eV的CuInS2薄膜。在此基础上制备了结构为玻璃/ITO/CuInS2/CdS/i-ZnO/ZnO:Al的薄膜电池，电池转换效率达到3.4%。此外，采用电化学逐层沉积Cu-In和In-Cu预制膜后硫化的方法制备了CuInS2薄膜，探讨了沉积顺序对薄膜的影响，发现沉积顺序的影响不如Cu、In层的厚度和硫化温度的影响大。第四章中我们主要研究了Cu2ZnSnS4薄膜。采用电化学一步共沉积后硫化退火的方法制备出了Cu2ZnSnS4薄膜，对薄膜的晶体结构、表面形貌、能谱以及光学性质进行了表征。主要研究了硫化退火温度和S2O32-浓度这两个因素对薄膜的影响。发现Cu2ZnSnS4薄膜的成相十分依赖于退火温度。只有在退火温度大于450℃时，才会形成Cu2ZnSnS4相，且退火温度越高，薄膜质量越好。S2O32-浓度的改变对薄膜的影响体现在杂相CuxS的出现上。研究发现随着S2O32-浓度的增大，薄膜容易出现CuxS杂相。最终，我们制备得到了单一相的、具有理想化学计量比的、禁带宽度为1.5eV的Cu2ZnSnS4薄膜。这种薄膜在后面的工作中将被用作太阳能电池的吸收层。第五章我们主要研究了目前比较新的Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜材料。采用电化学沉积Cu-Zn-Sn-S前驱体薄膜和后期的硫化与硒化处理的工艺路线，将Se元素引入到了Cu2ZnSnS4化合物中，制备出了多个不同成分比例的Cu2ZnSn(S,Se)4半导体薄膜材料。研究发现，通过控制后期的硫化和硒化温度，可以比较容易地控制Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜中S和Se的含量。随着硫化温度的升高，薄膜中S的含量随之增加，禁带宽度值也随之增大。我们对禁带宽度与S含量之间的关系进行了拟合，发现能够很好的满足禁带宽度公式，并得到了弯曲系数b=0.38。在第六章中，我们对论文内容进行了总结和展望。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5300]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 崔艳峰. Ⅰ-Ⅲ(Ⅱ/Ⅳ)-Ⅵ族化合物薄膜太阳电池的制备工艺和性能研究[D]. 中国科学院研究生院. 2011. |
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