磁控溅射法制备硒化锑薄膜太阳能电池及其性能研究

发布时间：2020-04-19 08:11

【摘要】：随着传统化石能源的日益紧缺和全球环境的不断恶化,世界各国都在积极发展太阳能清洁能源。太阳能电池可以直接将太阳能转换为电能,是太阳能利用的最直接的途径之一。薄膜太阳能电池因具有材料用料少和易于制备的优点,成为非常有竞争力的一类太阳能电池。新近兴起的硒化锑(Sb_2Se_3)薄膜太阳能电池因自身独特的优势而备受关注,其光电转换效率在近四年内提升到了6.5%,是非常有应用前景的薄膜太阳能电池材料之一,国家能源局《能源技术创新“十三五”规划》已将Sb_2Se_3薄膜太阳能电池列为需要集中攻关的新型高效低成本光伏发电关键技术之一。目前制备Sb_2Se_3薄膜的方法有很多,如化学水浴沉积法、快速热蒸发法和旋涂法等,而作为工业应用薄膜制备常用的方法之一——磁控溅射法的研究却很少。Sb_2Se_3薄膜太阳能电池技术尽管当前受到广泛关注,但由于高质量的Sb_2Se_3难以制备,使得目前其效率还比较低,磁控溅射法由于溅射出的Sb_xSe_y能量高,可有效降低Sb_2Se_3薄膜的结晶温度,从而将目前热蒸发典型的300℃晶体生长温度进一步降低,从而有望获得高质量的Sb_2Se_3薄膜材料。基于充分的文献调研和Sb_2Se_3薄膜太阳能电池领域存在的上述问题,本研究论文围绕磁控溅射法制备Sb_2Se_3薄膜太阳能电池开展了一系列的研究和探讨:(1)基于课题组金属后硒化法制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的经验,首先尝试磁控溅射金属Sb靶制备金属预制层,然后在快速退火炉中加硒粉进行硒化的方法制备Sb_2Se_3薄膜。通过调节退火过程的退火温度,得到纯相且表面结晶性良好Sb_2Se_3薄膜,构筑不同退火温度下的Sb_2Se_3薄膜底衬结构的薄膜太阳能电池,最佳硒化温度下器件的效率为0.68%,其对应的短路电流密度可达到10.41 mA/cm~2。电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测试结果表明,金属Sb后硒化薄膜易呈富Sb态,不宜于制备高效的Sb_2Se_3薄膜太阳能电池。(2)合金溅射法具有易保证所制备薄膜成份与靶材组分基本一致的优点,基于此,采用磁控溅射Sb_2Se_3合金靶制备Sb_2Se_3薄膜,通过在溅射过程中对基板进行不同温度的加热,探索热诱导下溅射Sb_2Se_3薄膜结构的演化规律,在一系列表征手段,如扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱以及电感耦合等离子体光谱仪(ICP))的数据分析下研究不同温度诱导生长的Sb_2Se_3薄膜的光学特征和电学性能。研究结果表明:不同的衬底温度对薄膜晶粒尺寸、致密性、晶面取向和原子振动有较大影响,当衬底温度为350℃时薄膜的性能较好。在此基础上构筑底衬结构为(SLG/FTO/Sb_2Se_3/ZnO/ITO/Ag)的太阳能电池,初步获得0.98%的器件光电转化效率。(3)磁控溅射Sb_2Se_3二元合金靶制备薄膜吸收层时,我们发现基底未被加热时,制备的非晶Sb_2Se_3薄膜呈富Se态。富Se的薄膜能有效抑制深缺陷的形成,促进浅缺陷的形成。因此我们探索了Sb_2Se_3薄膜不同退火温度条件下其结晶情况和光电性能的变化规律,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱以及电感耦合等离子体光谱仪(ICP)对不同温度下沉积的Sb_2Se_3薄膜的形态、组分进行表征,在退火温度为400℃时薄膜的物理化学性能达到最佳,通过构筑最佳退火条件下的底衬结构(SLG/Mo/Sb_2Se_3/ZnO/ITO/Ag)的Sb_2Se_3薄膜太阳能电池,并测试器件的光电转换性能,得到最佳器件的转换效率为3.09%,开路电压为343 mV,最大电流密度为19.8 mA/cm~2,填充因子为45.6%,其在波长为550 nm处的外量子效率可达到89%。
【图文】：

能带图,光照,热平衡,光生电压

衡结电场方向相反的电场-qV，并同时产生一个与光生电流方向相反的正向电流与 p-n结的电场相补偿，使势垒降低为 qVD-qV，当光生电流与正向 p-n 结电流达到相等时，p-n 结两端就生成了一个稳定的电势差，即光生电压。另外，光照使 p 区和 n 区的载流子浓度增加，从而导致费米能级的分裂，EFn-EFp=qV，在 p-n 结处于开路的情况下，光生电压 qV 即为开路电压。当外电路短路的情况下，，p-n 结所产生正向电流为零，外电路的电流为短路电流，这就是理想情况下 p-n 结的光电流[1]。

太阳能电池,薄膜太阳能电池

图 1-2 太阳能电池的分类太阳能电池研究进展展最好的晶体硅太阳能电池，薄膜太阳能电池具有以同的光电转换效率，薄膜太阳能电池只需几微米甚至几耗低，与晶体硅太阳能电池高耗能的晶体拉制、切割工仅需要化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PCVD备工艺，制造的能耗大大降低；(3) 质量轻，由于材料用中可设计为易折叠携带的器件，应用空间弹性大[2]。次介绍几种无机薄膜太阳能电池，包括硅基薄膜太阳能量子点薄膜太阳能电池（以 PbS 太阳能电池为例）和有钙钛矿薄膜太阳能电池为例）等。阳能电池
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】