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铜铟镓硒(Cuq(In,Ga)Se2,CIGS)半导体薄膜材料因其吸收性好、转换效率高而成为光伏领域研究的热点。采用电沉积的方法制备CIGS薄膜太阳电池设备投资少,成本低,原材料利用率高,可实现大面积制备,更适合工业化生产,越来越受到光伏界的广泛关注。
本论文主要利用电沉积的方法来进行大面积CIGS薄膜的制备,其目的是通过对大面积均匀性及其热处理工艺的研究制备出成份合适、厚度均匀、表面质量较好的大面积CIGS薄膜预置层,并能够应用到光伏器件上。
在电沉积大面积CIGS薄膜的均匀性方面,主要研究了一步电沉积和分步电沉积的均匀性。在进行一步电沉积时发现,CIGS薄膜成份的均匀性较好,而厚度的均匀性与电极的放置方式密切相关。当电极垂直放置时,由于浓差极化,沉积所得的薄膜厚度的均匀性较差。电极水平放置且工作电极在下时,薄膜厚度的均匀性较好,且得到了厚度均匀性小于3%的CIGS薄膜。而工作电极在上时,由于析气效应,所得的薄膜不但厚度较薄,而且分布不均匀。而与一步电沉积相比,分步电沉积虽然沉积的速率较快,但成份的均匀性稍差。实验发现,几何因素和电化学因素是影响分步电沉积大面积CIGS薄膜均匀性的主要因素。利用所设计和加工的实验装置,分步电沉积得到了厚度均匀性小于4%的CI和CIG金属预置层薄膜。
在电沉积CIGS薄膜的热处理方面,主要研究了一步电沉积的PVD热处理和分步电沉积的硒化热处理。在PVD热处理方面主要研究了Se源温度和衬底温度对CIGS薄膜的影响。研究发现,PVD热处理的最佳的Se源温度和衬底温度分别在230℃和560℃左右;而不同的前硒化和后硒化工艺也会对薄膜的结晶状况产生影响。经过PVD热处理后,大面积CIGS薄膜成份和厚度的均匀性良好,且结晶状况有了很大的改善,在10×10cm2上所制备的小面积太阳电池的平均效率为4.76%;而对分步电沉积所得的CI和CIG薄膜进行硒化热处理后,提高了其结晶性能,但由于衬底受热的不均匀,所得到CIS和CIGS薄膜成份的均匀性较差,在10×10cm2上所制备的小面积太阳电池的平均效率分别达到了4.41%和5.44%。