纳米结构薄膜电极材料的构筑及其在CIGS薄膜光伏器件中的应用

发布时间：2017-06-18 15:06

  本文关键词：纳米结构薄膜电极材料的构筑及其在CIGS薄膜光伏器件中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：太阳能发电作为一种清洁、可再生的能源,被认为是解决能源衰竭和环境污染问题的有效途径之一。太阳能电池的研制和开发日益受到人们的重视和关注。基于降低成本和大面积生产的考虑,太阳能电池薄膜化是其发展的必然趋势。在所有种类的薄膜太阳电池中,基于多晶铜铟镓硒(CIGS)吸收层的薄膜光伏器件被认为是最有希望走向大规模实际应用的薄膜光伏器件之一。尽管目前其实验室光电转换效率已超过20%,但其自身层状薄膜的结构特点使电池内部仍存在光吸收效率和载流子收集效率相互制约问题,其光电转换效率仍有较大的提升空间。纳米结构具有大的比表面积,对光具有减反射性能。在优化CIGS薄膜太阳能电池各层材料性能的同时,构筑并引入纳米结构是解决薄膜光伏器件中光吸收和载流子之间相互竞争的矛盾、进而提高电池效率的有效途径之一。本论文基于此研究思路,分别对磁控法制备CIGS薄膜太阳能电池的Mo背电极和ZnO/Al:ZnO(AZO)顶电极薄膜材料进行了系统的研究,在优化其各项工艺参数得到高质量薄膜电极材料的基础上,利用纳米微球刻蚀技术构筑了有序的Mo网格阵列结构、ZnO网格阵列结构及ZnO空腔结构,并把这些有序微纳结构引入到CIGS薄膜光伏器件中,深入研究了有序微纳结构对电池性能的影响。本论文主要开展以下三部分的研究工作:(1)背电极Mo薄膜材料和Mo网格的制备及其在CIGS光伏器件中的应用利用直流磁控溅射技术在钠钙玻璃衬底上沉积Mo薄膜。系统探索了工作气压、溅射功率、溅射时间及基片转速等参数对Mo薄膜的相结构、形貌及电阻率的影响。通过两步溅射法得到致密性好、基底黏附性好,电阻较低的Mo薄膜,所获得的Mo薄膜最小方阻为0.3??□。目前,以此工艺条件溅射的Mo薄膜作为背电极,以CIGS为吸收层的电池效率高于10%。在成功优化Mo薄膜电极材料工艺参数的基础上,利用Nanosphere Lithography(NSL)技术构筑了大面积的Mo网格阵列结构。将具有微纳有序结构的Mo薄膜应用到CIGS电池中,研究了Mo网格结构对电池器件性能的影响。(2)磁控溅射系统制备高性能AZO薄膜利用射频电源磁控溅射系统在钠钙玻璃基底上沉积了AZO薄膜。系统的研究了基底温度对AZO薄膜的形貌、晶体结构及其电学性质的影响。研究结果表明:所有的AZO薄膜均为沿C轴择优生长的六方结构。形貌和电学测试结果证实基底温度对AZO薄膜的形貌、光学和电学性能都有着重要影响。从近紫外区域到近红外区域,AZO薄膜的最高的平均透过率超过83%。最小电阻率为6.1′10-4?·cm,载流子浓度和迁移率分别为3.357′1020 cm-3和30.48 cm2/Vs。(3)ZnO薄膜和ZnO纳米结构的制备及其在CIGS光伏器件中的应用利用射频电源磁控溅射系统在钠钙玻璃上制备透过率高的本征ZnO薄膜,探索工作压强、溅射功率、溅射时间对薄膜性能影响。最终制备的薄膜厚度为50nm,透过率超过85%,电阻在兆欧以上,应用在CIGS太阳能电池中,效率超过10%。利用不同周期的PS球为模版,AZO薄膜为种子层通过水热生长构筑了不同周期的ZnO纳米结构。通过调控生长时间控制最终ZnO纳米结构的形状。研究结果表明:不同周期的ZnO纳米结构表现出明显不同的光学特性,有望进一步提高以ZnO纳米结构为基础的CIGS光伏器件的综合性能。
【关键词】：CIGS薄膜太阳能电池 磁控溅射 薄膜电极材料 纳米结构 光电特性
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.42;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章绪论11-31
• 1.1 概述11-12
• 1.2 CIGS薄膜太阳能电池及其研究现状12-17
• 1.2.1 CIGS薄膜太阳能电池的基本原理12
• 1.2.2 CIGS薄膜太阳能电池结构12-17
• 1.2.3 CIGS薄膜太阳能电池的研究现状17
• 1.3 有序纳米结构的构筑方法17-21
• 1.3.1 光刻技术17-19
• 1.3.2 纳米压印技术19
• 1.3.3 电子束刻蚀技术19
• 1.3.4 胶体球刻蚀技术19-21
• 1.4 有序纳米结构在器件中的应用21-22
• 1.4.1 纳米结构增加界面面积及提高载流子传输效率21-22
• 1.4.2 纳米阵列结构抗反射性能22
• 1.5 目前存在的主要问题22-23
• 1.6 论文的研究目的、思路及方法23-26
• 1.6.1 论文研究目的及思路23-24
• 1.6.2 论文主要研究内容24-26
• 参考文献26-31
• 第二章 Mo电极薄膜和Mo网格的制备及其在光伏器件中的应用31-50
• 2.1 引言31-32
• 2.2 实验32-34
• 2.2.1 试剂和仪器32
• 2.2.2 实验过程32-34
• 2.3 结果与讨论34-46
• 2.3.1 直流电源磁控溅射Mo薄膜及其结构性能分析34-43
• 2.3.2 Mo薄膜在CIGS薄膜太阳能电池中的应用43-44
• 2.3.3 构筑Mo网格结构及其在CIGS薄膜太阳能电池中的应用44-46
• 2.4 本章小结46-48
• 参考文献48-50
• 第三章 磁控溅射沉积AZO薄膜50-62
• 3.1 引言50-51
• 3.2 实验51-52
• 3.2.1 试剂和仪器51-52
• 3.2.2 实验过程52
• 3.3 结果与讨论52-59
• 3.3.1 基底温度对AZO薄膜结构性能的影响52-53
• 3.3.2 基底温度对AZO薄膜形貌演变过程的影响53-56
• 3.3.3 基底温度对AZO薄膜光学和电学性能的影响56-59
• 3.4 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 第四章 ZnO薄膜和纳米结构的制备及在CIGS器件中的应用62-79
• 4.1 引言62-63
• 4.2 实验63-66
• 4.2.1 试剂和仪器63-64
• 4.2.2 实验过程64-66
• 4.3 结果与讨论66-75
• 4.3.1 溅射功率对ZnO薄膜性能的影响66-69
• 4.3.2 溅射气压对ZnO薄膜透过率的影响69
• 4.3.3 ZnO薄膜在CIGS薄膜太阳能电池中的应用69-71
• 4.3.4 不同生长时间对ZnO空腔阵列结构形貌及结晶性的影响71-73
• 4.3.5 不同周期ZnO空腔结构的形貌及光学性能73-74
• 4.3.6 ZnO空腔结构在CIGS薄膜光伏器件中的应用74-75
• 4.4 本章小结75-76
• 参考文献76-79
• 工作总结79-81
• 总结79-80
• 存在的问题与展望80-81
• 硕士期间发表和已完成的论文与工作81-83
• 致谢83-84

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本文编号：459746