四元靶材磁控濺射法制備CIGS吸收層材料及其器件構筑.pdf

1、Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)太陽能電池是薄膜太陽能電池中最具應用前景的薄膜太陽能電池之一，具有著效率高，穩(wěn)定性好和弱光性能好的優(yōu)勢，已經(jīng)成功實現(xiàn)了商業(yè)化。德國太陽能和氫能研究中心（ZSW）于2015年報道了認證效率為21.7％的 CIGS太陽能電池；2014年，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（EMPA）在聚酰亞胺柔性基底上制備出了效率高達20.4%的柔性CIGS太陽能電池。但是這些高效率CIGS太陽能電池都是由多元熱共蒸發(fā)法

2、制備的，工藝要求極其苛刻，很難實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。盡管溶液法能夠極大的降低CIGS太陽能電池的制備成本，但是里面包含的雜質(zhì)太多，最高效率只有共蒸發(fā)法的70%左右。磁控濺射法制備 CIGS太陽能電池因具有復現(xiàn)性好、樣品純度高和可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點而引起了研究人員的廣泛關注，所以本論文主要研究了磁控濺射法制備CIGS太陽能電池。本論文主要研究內(nèi)容以及研究成果如下：
　　1、研究了射頻濺射化學計量比的 CIGS單源陶瓷靶（Cu:In:Ga:Se=

3、1:0.7:0.3:2）制備CIGS吸光層。我們發(fā)現(xiàn)濺射得到的CIGS薄膜和靶材的組成有著巨大的差異，并且和靶材與基底之間的工作距離有著巨大的相關性。隨著工作距離的增加，CIGS預制膜中 Cu/(In+Ga)的比例從1.29減少到0.96。但是預制膜經(jīng)過退火處理后，Cu/(In+Ga)的比值均大于1，呈現(xiàn)富銅狀態(tài)，這主要是由于CIGS晶體的富銅生長機制導致的。我們通過 XRD檢測確定了薄膜晶面擇優(yōu)生長方向，通過 Raman光譜分析確定了

4、薄膜組分的結構，二者共同顯示薄膜不存在雜相。后經(jīng)組裝電池器件證實，利用此方法制備的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的光電轉化效率最高只有0.65%。本章的工作說明可以使用CIGS陶瓷靶濺射制備CIGS太陽能電池，但是需要進一步優(yōu)化制備方法。
　　2、研究了射頻濺射貧銅的銅銦鎵硒陶瓷靶（ Cu:In:Ga:Se=0.84:0.8:0.36:2）制備CIGS薄膜的條件和特性。我們發(fā)現(xiàn)濺射貧銅的 CIGS陶瓷靶能夠制備出來貧銅的CIGS預制膜，并

5、且退火處理后的薄膜組成仍然是貧銅的。我們發(fā)現(xiàn) CIGS太陽能電池效率和退火溫度具有著很大的相關性，550℃退火時效率達到最大，溫度偏低和偏高時電池效率都低于此值。550℃硒化的時候獲得了光電轉換效率為5.02%，開路電壓為0.413 V，短路電流密度為15.64 mA/cm2，填充因子為63.84%，有效面積為0.21 cm2的光伏器件。和射頻濺射化學計量比的CIGS陶瓷靶相比，顯著地提高了CIGS太陽能電池的效率。
　　3、研究

6、了射頻濺射銅銦鎵硒陶瓷靶（Cu:In:Ga:Se=1:0.7:0.3:2）和直流濺射銦靶的共濺射法制備高質(zhì)量的CIGS預制膜。通過優(yōu)化直流濺射銦靶的濺射工藝，制備出了一系列具有貧銅組份的銅銦鎵硒薄膜。我們利用該方法對CIGS薄膜的組份進行了行之有效的調(diào)控。我們對CIGS預制膜進行了形貌、組份的分析；對硒化后CIGS薄膜進行了形貌、組份、結構等性能分析。最終獲得了光電轉換效率為10.29%，開路電壓為0.532 V，短路電流密度為32.0

7、2 mA/cm2，填充因子為60.50%，有效面積為0.36 cm2的CIGS太陽能電池。
　　本論文系統(tǒng)的研究了濺射CIGS陶瓷靶制備CIGS太陽能電池，系統(tǒng)研究了靶材組成、預制膜和硒化后薄膜的組成、形貌和結構的關系。我們發(fā)現(xiàn)濺射化學計量比的CIGS陶瓷靶無法制備高效率的 CIGS太陽能電池，效率只有0.65%。我們通過將化學計量比的陶瓷靶改為貧銅的組成，將電池效率提高到5.02%。然后我們通過化學計量比的CIGS陶瓷靶和In金