铜铟镓硒薄膜太阳电池窗口层和缓冲层材料的研究

发布时间：2018-11-08 08:09

【摘要】：能源短缺和环境污染已成为工业和经济快速发展面临的严重问题和挑战,寻求和利用低成本的可再生能源(绿色能源)变得越来越重要。太阳能是一种清洁、丰富的可再生能源,太阳电池是利用光伏效应将太阳能直接转化为电能的装置。Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池因其高转换效率、突出的稳定性和在多个领域的广泛的应用而日益受到人们的青睐。电池的光电转换效率是衡量电池效率的一个非常重要的指标,对CIGS薄膜太阳电池而言,CIGS吸收层的优化是提升其电池效率的重要方面,而其它功能层,如TCO层和CdS缓冲层的优化同样有至关重要的作用。透明导电氧化物(transparent conductive oxide,TCO)材料通常用作CIGS薄膜太阳电池作为窗口层,允许光进入太阳电池的同时提取光电子。氧化铟锡(In2O3:SnO2,ITO)和掺杂ZnO薄膜光电性能优异(高透射率和导电性),都是CIGS薄膜太阳电池中重要的窗口层材料。ITO和ZnO:Al(AZO)薄膜通常采用磁控溅射法沉积,此法稳定且工艺可控。另一种重要的掺杂ZnO材料即Zn O:B(BZO)薄膜通常采用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)技术沉积。通过调节LPCVD-BZO沉积的工艺参数可获得具有特定表面形貌和良好光电性能的BZO薄膜。上述TCO窗口层在实现高效率的CIGS薄膜太阳电池过程中发挥了重要作用,其作用机理仍需深入研究。CdS薄膜作为CIGS薄膜太阳电池中非常重要的功能层之一已经引起了众多的关注。高效率的CIGS薄膜太阳电池通常采用化学浴沉积(chemical bath deposition,CBD)技术制备的CdS薄膜作为缓冲层。然而,CBD-CdS缓冲层对CIGS薄膜太阳电池的影响迄今尚不清楚。CBD-CdS缓冲层的研究和优化将有利于CIGS薄膜太阳电池性能的进一步提升。本论文中,系统地研究了不同衬底温度下沉积的BZO薄膜的材料特性,同时,将BZO薄膜作为窗口层,应用在CIGS薄膜太阳电池中,研究了衬底温度对CIGS薄膜太阳电池的影响。此外,将磁控溅射法制备的ITO薄膜、磁控溅射法制备的AZO薄膜及LPCVD法沉积的BZO薄膜分别作为窗口层,应用在CIGS薄膜太阳电池中,比较三种窗口层材料对CIGS薄膜太阳电池性能的影响。结果表明,随着衬底温度的增加,BZO薄膜的沉积速率增加,晶粒生长方向有单一取向生长变为多取向生长。在衬底温度为153°C时,BZO薄膜表面呈现金字塔形且晶粒尺寸较大,载流子迁移率较高;同时,载流子浓度相对较高,所以BZO薄膜电阻率最低。在衬底温度为119°C时,CIGS薄膜太阳电池获得了11.7%的最高光电转换效率。与AZO和ITO窗口层相比,BZO薄膜在整个波段范围,尤其在近红外区的光透过率较高,对应CIGS薄膜电池的Jsc较高。但是,利用AZO和ITO做窗口层的CIGS薄膜太阳电池的Voc和FF较高,综合来看,电池效率偏高。采用优化的AZO薄膜做窗口层的CIGS薄膜太阳电池获得了12.2%的最高光电转换效率。利用CBD法,分别采用硫酸镉和醋酸镉为镉源沉积CdS层,并应用于CIGS薄膜太阳电池中。当使用硫酸镉作为镉源时,CdS薄膜沉积速率较慢,CdS颗粒较小,可以更好地覆盖在CIGS吸收层表面,CIGS薄膜太阳电池的Voc和FF较高,从而,电池效率得以提升。此外,通过调节沉积时间来沉积不同厚度的CdS薄膜。结果表明,随着CdS薄膜厚度的增加,CdS的光透过率降低,对应CIGS薄膜太阳电池在350 nm到530nm波段范围内的光谱响应也随之减小。但是,随着CdS厚度的增加,CIGS薄膜太阳电池的Voc和FF显著增加。在CdS厚度为113 nm时,CIGS薄膜太阳电池获得了13.5%的最高光电转换效率,CdS缓冲层对CIGS薄膜太阳电池的影响仍需进一步研究。
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【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.42

【参考文献】