脉冲激光沉积铜铟镓硒（CIGS）光滑薄膜及CIGS薄膜的光热协同退火

发布时间：2017-09-16 10:33

  本文关键词：脉冲激光沉积铜铟镓硒（CIGS）光滑薄膜及CIGS薄膜的光热协同退火

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【摘要】：过去十年,全球光伏发电总量增长近三十倍,年平均增长率超过40%。至2015年底,铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池效率已经高达21.7%。CIGS薄膜太阳能电池中柔性基底的CIGS薄膜太阳能电池将成为未来CIGS薄膜电池发展的主流方向,因为柔性基底CIGS薄膜太阳能电池非常利于卷对卷(roll-to-roll)工业大规模生产,同时便于运输。脉冲激光沉积(PLD)则是一种可以实现在柔性基底上高效制备CIGS薄膜的方法,同时PLD在保持多元素化合物的元素配比方面有着独特的优势。但是,不耐高温的柔性基底的薄膜退火问题就成为柔性薄膜太阳能电池需要处理的困难,另外采用脉冲激光沉积所带来的薄膜粗糙问题也是需要解决的问题之一。本论文尝试采用光热协同退火,为将来柔性基底太阳能电池的退火做好准备并采用了挡板法脉冲激光沉积来解决薄膜的粗糙问题。本论文主要分为三部分,具体内容如下:第一部分主要是对比在柔性基底聚酰亚胺(PI)温度承受范围(400℃)内的不同退火方式的薄膜再生长情况。研究发现:1)当仅采用脉冲激光退火时薄膜表面大颗粒明显减少,同时随着退火激光波长改变也有不同,1064nm波长退火时表面出现较大粗糙区域,532nm和355nm退火时表面出现小范围的光滑。结晶率并无显著的变化。2)当只采用400℃退火时,薄膜表面大颗粒并无明显变化,小尺寸颗粒消失,整体呈现光滑但不平整状态,同时薄膜结晶率提高。3)采用激光和400℃协同退火时,薄膜表面大颗粒减少且十分光滑,薄膜结晶率最高。第二部分探索挡板法脉冲激光沉积(SMPLD)光滑薄膜的高效制备及参数,并将SMPLD制备得CIGS光滑薄膜与PLD制备CIGS薄膜进行对比。实验发现:1)CIGS光滑薄膜制备效率与基片和挡板之间的距离有关,在实验距离范围内薄膜制备效率随着距离增大而增大,但是当距离增加特定的值时光滑薄膜的面积减小。2)CIGS光滑薄膜的制备效率与环境气压密切相关,气压过低光滑薄膜制备效率迅速降低,气压过高制备效率也显著下降。3)CIGS光滑薄膜的厚度与沉积时间成正比,与脉冲激光能量成正相关。对比结果表明,SMPLD方法制备得薄膜效率最高可接近常规PLD的32%,表面粗糙度下降两个数量级,但结晶率显著提高。最后一个部分采用常规PLD方法制备了钼(Mo)电极层,并基于第二部分内容的采用SMPLD方法制备了太阳能电池的CIGS层,硫化镉(CdS)缓冲层以及窗口层ZnO和Al:ZnO薄膜,获得CIGS单体电池。SEM断面及XRD表征结果证明,SMPLD制备薄膜各层分隔明显,CIGS薄膜内部生长致密且接近单晶生长。Mo呈现柱状生长。电池效率表征结果为:开路电压600mV,短路电流11.86mA/cm2,填充因子0.431,光电转换效率为3.03%。
【关键词】：挡板脉冲激光沉积 薄膜太阳电池 铜铟镓硒 光热协同退火
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.42;O484.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 太阳能电池概述10-11
• 1.3 太阳能电池的分类11-14
• 1.4 CIGS薄膜太阳能电池研究现状及结构14-15
• 1.5 CIGS薄膜太阳能电池的制备方法15-17
• 1.5.1 溅射硒化法16
• 1.5.2 多元共蒸发法16
• 1.5.3 电沉积法16-17
• 1.5.4 颗粒方法17
• 1.6 CIGS的物理特性17-18
• 1.7 CIGS薄膜太阳能电池的优点18
• 1.8 本论文的组织结构和创新点18-20
• 第二章 PLD制备CIGS薄膜的原位光热协同退火处理20-37
• 2.1 引言20-21
• 2.2 实验参数及理论模拟21-27
• 2.2.1 微分方程22-24
• 2.2.2 热场模拟的必要假设24-25
• 2.2.3 模拟参数的准备25-27
• 2.2.4 薄膜表面温度实测27
• 2.3 实测和模拟结果讨论27-30
• 2.4 电子扫描显微镜分析30-34
• 2.5 X射线衍射结果分析34-35
• 2.6 拉曼结果分析35-36
• 2.7 讨论和结论36-37
• 2.7.1 光热协同退火过程讨论36
• 2.7.2 结论36-37
• 第三章 挡板脉冲激光沉（SMPLD）积制备光滑CIGS薄膜37-49
• 3.1 脉冲激光沉积37-39
• 3.2 SMPLD实验设计39
• 3.3 参数选择与优化39-44
• 3.3.1 薄膜厚度与靶基距离关系39-41
• 3.3.2 薄膜厚度与缓冲气压关系41-42
• 3.3.3 薄膜厚度与单脉冲激光能量关系42-43
• 3.3.4 薄膜厚度与沉积时间的关系43-44
• 3.4 SMPLD制备的CIGS薄膜的表征分析44-48
• 3.4.1 SMPLD制备的CIGS薄膜的厚度分布44-45
• 3.4.2 SMPLD制备的CIGS薄膜的AFM及SEM图分析45-46
• 3.4.3 SMPLD制备的CIGS薄膜的XRD谱及Raman谱分析46-47
• 3.4.4 SMPLD制备的CIGS薄膜的透过率分析47-48
• 3.5 本章总结48-49
• 第四章 SMPLD法制备CIGS薄膜太阳能电池49-56
• 4.1 脉冲激光沉积法制备背电极Mo薄膜49-51
• 4.2 SMPLD制备缓冲层CdS薄膜51
• 4.3 SMPLD制备缓冲层CdS、本征iZO层及窗口层AZO薄膜51-52
• 4.4 SMPLD制备的CIGS薄膜太阳能电池结构表征52-55
• 4.5 本章总结55-56
• 第五章 总结与展望56-59
• 5.1 本论文主要解决的科学问题56-57
• 5.2 本论文创新点57
• 5.3 本论文主要结论57-58
• 5.4 本论文中的工作展望58-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 攻读硕士学位期间的研究成果64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 郭杏元;许生;曾鹏举;范垂祯;;CIGS薄膜太阳能电池吸收层制备工艺综述[J];真空与低温;2008年03期

2 庄大明,张弓;铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展现状以及应用前景[J];真空;2004年02期

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本文编号：862523