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铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池的制备

作　者: 席辉
导　师: 单玉桥
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: CIGS薄膜太阳能电池 磁控溅射 真空蒸镀法 固态硒源 硒化
分类号: TM914.42
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


太阳能作为一种新型清洁能源,是未来社会的主要能源之一。目前市场上仍以Si太阳电池为主,Cu(InGa)Se2(CIGS)薄膜太阳能电池具有转换效率高、廉价、稳定等特点。随着资源和环境的要求,以CIGS为主要材料的太阳电池市场化成为必然。三步共蒸发法是目前应用最广泛也是最受研究人员青睐的工艺,该方法制备的CIGS薄膜太阳能电池的效率已高达19.99%。而溅射硒化法,工艺流程容易控制,适合产业化生产。目前国外电池组件的转化效率一般在12-13%,我国的研究还刚刚起步,和国外水平还有很大差距。本论文主要研究一种操作简单、可控、适合产业化需要的技术工艺,即溅射制备合金预制膜后硒化的制备方法。首先,在不锈钢衬底上制备厚度约1微米的Mo电极,在溅射过程中通过改变工作气压,溅射双层Mo金属膜,使Mo电极具有类似层状结构,消除了内应力的影响,从而提高了Mo电极和玻璃衬底之间,及其和CIGS吸收层之间的附着力。然后,在沉积有Mo电极的玻璃衬底上,通过磁控溅射的方法制备约700纳米厚度的Cu(InGa)预制层薄膜,靶材采用自制的Cu(InGa)合金靶。硒化采用在低温和高温过程依次进行的2步方法,采用固态硒源,避免了剧毒的H2Se气体的生成。通过在低温区保温30分钟,再在高温区保温25分钟,制备出了性能较好的CIGS吸收层薄膜,具有(112)晶面择优取向,显示明显的黄铜矿单一结构。薄膜表面平整,晶粒大小均匀、排列紧密。分别用化学水浴法和真空蒸镀法制备CdS窗口层。分析比较两种方法制备出的CdS薄膜,发现采用真空蒸镀法制备的CdS薄膜的透光性高于化学水浴法制备的CdS薄膜。最后,用直流磁控溅射的方法,制备一定厚度的Al电极,完成了CIGS薄膜太阳电池的制备。对器件的性能做了测试分析,电池两端开路电压大概在30-40mv。该研究采用的CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺简单、过程容易控制、设备和材料费用低,没有采用剧毒的气源,适合大规模产业化的要求,为以后进一步的研究开发做了技术储备。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-22
  1.1 引言  11-12
  1.2 太阳能电池的发展现状  12-13
  1.3 太阳能电池的工作机理  13-15
  1.4 太阳能电池分类  15-17
    1.4.1 硅基太阳能电池  15-16
    1.4.2 多元化合物薄膜太阳能电池  16
    1.4.3 有机薄膜类太阳能电池  16-17
    1.4.4 纳米晶薄膜太阳能电池  17
  1.5 CIGS太阳能电池  17-21
    1.5.1 CIGS太阳能电池的发展现状  17
    1.5.2 CIGS太阳能电池的结构  17-19
    1.5.3 CIGS薄膜的制备方法  19-21
    1.5.4 CdS薄膜的制备方法  21
  1.6 本文的主要工作  21-22
第2章 实验原理和设备  22-35
  2.1 真空蒸发镀膜原理  22-23
  2.2 磁控溅射原理  23-24
  2.3 薄膜生长  24-25
    2.3.1 薄膜生长机理  24
    2.3.2 薄膜生长原理  24-25
  2.4 化学水浴法(CBD)  25-27
    2.4.1 CBD原理  25-26
    2.4.2 CBD的微观机制  26-27
  2.5 实验设备  27-28
  2.6 实验原料  28
  2.7 基片  28-29
    2.7.1 衬底的选择  28
    2.7.2 基片的清洗  28-29
  2.8 真空度的确定  29-31
  2.9 薄膜性能表征  31-35
    2.9.1 薄膜厚度测量方法  31-32
    2.9.2 X射线衍射(XRD)分析  32-33
    2.9.3 扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析  33
    2.9.4 薄膜光学性能的测量  33
    2.9.5 薄膜电阻的测量  33-35
第3章 CIGS太阳能电池薄膜的制备及表征  35-53
  3.1 Mo电极层  36-38
    3.1.1 Mo电极层的优越性  36
    3.1.2 Mo电极层的制备  36-37
    3.1.3 Mo电极层的表征及结果分析  37-38
  3.2 光吸收层(CIGS)  38-46
    3.2.1 CIGS制备方法选择  38-39
    3.2.2 光吸收层(CIGS)的制备  39-41
    3.2.3 CIG的表征及结构分析  41-42
    3.2.4 光吸收层(CIGS)的表征及结果分析  42-46
  3.3 窗口层(CdS)  46-51
    3.3.1 CdS的性质  46-47
    3.3.2 CdS薄膜的制备  47-49
    3.3.3 CdS薄膜的表征及结果分析  49-51
  3.4 Al电极的制备  51-53
第4章 CIGS薄膜太阳能电池性能表征  53-58
  4.1 太阳能电池元件的性能表征  53-54
  4.2 CIGS薄膜太阳电池的制备、表征  54-55
    4.2.1 CIGS薄膜太阳能电池的制备  54
    4.2.2 CIGS薄膜太阳能电池的表征  54-55
  4.3 工作分析  55-57
  4.4 展望  57-58
第5章 结论  58-59
参考文献  59-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 光电池 > 太阳能电池 > 薄膜太阳能电池
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