硫化镉缓冲层的优化设计及其在CIGS电池中的应用

发布时间：2020-07-19 03:35

【摘要】：近年来,社会经济的快速发展对能源的需求及其利用方式提出了更高的要求。常规能源储量有限,且在利用过程中会对人类社会环境造成严重污染,因此亟需寻找新型能源来代替常规的矿物能源。太阳光一小时辐射到地球的能量相当于地球一年的消耗量且无污染,因此,太阳能被认为是一种理想的新型清洁能源。在种类繁多的薄膜太阳能电池中,CIGS太阳能电池被认为是最有前景的高效太阳能光伏技术之一。其主要优势在于:稳定性好、抗辐照能力强、易于大面积生产且可制成单片集成互联式组件。无论是单个CIGS电池还是组件都达到了较高的效率。CIGS电池的核心结构是由CIGS吸收层和CdS缓冲层组成的P-N异质结。CdS作为缓冲层在CIGS器件中起着至关重要的作用,当CdS与CIGS的导带失配((35)Ec)过大时,CIGS光生电子的收集将会受到阻碍,短路电流密度和填充因子会迅速降低;另一方面,当(35)Ec足够负时,在界面处的CIGS的反型将会被消除,界面态的复合对开路电压也会造成不利影响。现阶段,化学浴沉积(CBD)是制备CdS缓冲层最常用的方法和技术,CBD-CdS薄膜的可控生长很大程度决定着成膜的质量,并最终影响和决定着整个CIGS器件的性能。高质量的硫化镉缓冲层对CIGS的P-N异质结起着至关重要的作用。目前在CIGS薄膜光伏器件中CdS缓冲层的制备主要是采用CBD沉积的方式,一方面因其化学法的特性,在其沉积过程中存在诸多的复杂可变因素,其沉积工艺和技术尚需进一步优化提升;另一方面,尽管CBD-CdS是目前效率最高的一种缓冲层沉积方式,但由于在CBD沉积过程中,大量的CdS在溶液中以均质成核的方式形成沉淀,造成大量的CdS浪费和严重的Cd污染,除此之外,CdS薄膜较小的带隙也阻止了部分近紫外光穿透到CIGS吸收层,使得CIGS器件在近紫外光区性能较差。为了解决上述两个问题,我们首先开展了传统CBD-CdS缓冲层的探索和优化,详细研究了镉源浓度、沉积时间以及后期退火处理对器件性能的影响;在上述研究工作的基础上,我们开展了新型缓冲层的探索和研究,制备了一维结构的CdS纳米线和CdS/Cd(OH)_2核壳纳米线,应用在CIGS光伏器件中作为新型的纳米结构缓冲层,为寻找新的低污染、高效的新型缓冲层提供了研究思路和方法。本论文的主要研究内容和研究结果如下:1、化学浴沉积CdS缓冲层的优化及其在CIGS电池中的应用。该部分研究工作详细探索了醋酸镉浓度对CdS薄膜质量的影响。其形貌、结晶性以及光学性能与镉源的浓度密切相关,当醋酸镉浓度为0.052 M时薄膜性能和质量较好,将此条件下的CdS薄膜应用到CIGS电池中,获得了11.42%的光电转换效率。为了进一步改善缓冲层的质量和性能,我们对醋酸镉浓度为0.052 M的CdS薄膜进行后期热退火处理,当退火温度为180℃时,得益于CdS缓冲层透过率的提高,CIGS薄膜太阳能电池光电转换效率也有所提升,达到12.57%。2、CdS纳米线缓冲层的水热合成及其在CIGS电池中的应用。通过简单的水热合成法成功制备出了CdS纳米线,且无使用任何模版,相对其他方法来说,有效降低了制备成本。同时,系统研究了合成条件对CdS纳米线的表面形貌、晶体结构和化学成份的影响。通过优化,我们成功制备了直径为30 nm,长度可达数微米,分散性好且产量高的CdS纳米线。与此同时,CdS纳米线中Cd/S的原子比例接近1,符合理想的化学计量比。我们将制备的CdS纳米线应用于CIGS光伏器件中,并研究了旋涂次数(缓冲层厚度)对器件性能的影响。研究结果表明,当旋涂次数为16次时,获得了最佳厚度的CdS纳米线缓冲层,电池效率最高值可达3.30%。然而,目前制备的器件效率偏低,仍然需要进一步优化其合成方法来改善器件性能。3、超长CdS/Cd(OH)_2核壳纳米线的制备及其在CIGS太阳能电池中的应用。首先通过简单的水热方法合成Cd(OH)_2纳米线,然后通过离子交换的方法在Cd(OH)_2表面生成CdS壳层,从而获得CdS/Cd(OH)_2核壳纳米线。我们系统研究了Cd(OH)_2和CdS/Cd(OH)_2纳米线的结构、表面形貌和化学成分。为了探究纳米线缓冲层的厚度对CIGS太阳能电池的影响,将CdS/Cd(OH)_2核壳纳米线以不同的旋涂次数旋涂到CIGS吸收层上。当旋涂28次时,纳米线缓冲层厚度较合适,电池器件的效率可达到5.51%。为了进一步消除纳米线异质结的界面缺陷并提高电池器件的性能,对CdS/Cd(OH)_2核壳纳米线进行退火处理。当退火温度达到140oC时,电池器件的效率可提高到7.00%,接近同等条件下CBD-CdS缓冲层的光电转换效率。值得提出的是,CdS/Cd(OH)_2纳米线器件的短路电流密度超过了CBD-CdS器件的短路电流密度,主要归因于CdS/Cd(OH)_2纳米线带隙较宽且带隙可调,较大程度的减少了缓冲层对光子的吸收,有利于CIGS器件光生载流子的产生。
【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
【图文】：

太阳能电池,电池,新型太阳能电池,非晶硅太阳能电池

图 1-1 P-N 结的形成图图 1-2 在 P-N 结上施加一个电压1.2.2 太阳能电池的分类目前，相继出现了各种太阳能电池，种类繁多且各具特色。由产业化的发展现状出发，将太阳能电池大概分为三类：硅系太阳能电池、薄膜类太阳能电池以及其他新型太阳能电池。(1) 硅系太阳能电池硅由于具有良好的材料性能和成熟的应用技术，因而广泛应用于半导体器件中。硅太阳能电池具有诸多优点，例如丰富的原材料供应、低毒性和可扩展的电池和模块制造技术。正因如此，世界光伏器件装置数量急剧增加，并且有可能在未来很长一段时间内将继续保持同样的趋势。硅系太阳能电池包括非晶硅太阳能电池(a-Si)、单晶硅太阳能电池(sc-Si)以及多晶硅太阳能电池(mc-Si)。sc-Si 电池在硅系太阳能电池中是技术最为成熟且转换效率最高的电池。sc-Si 的每

电压图,P-N结,电压,太阳能电池

黄铜矿结构,三元

硫化镉缓冲层的优化设计及其在 CIGS 电池中的应用非常高的光吸收系数，对光生载流子的产生非常有帮助。黄铜矿作为直接带隙的 p 型半导体材料，具有良好的光学特性，使其非常适合应光电器件中。黄铜矿的名字来源于 CuFeSe2矿物，I III VI2族三元黄铜矿结构如图示。相对应的三元黄铜矿结构的晶体参数汇总在表 1-3 中。CIGS 是四面体配位的体材料，在 CuInxGa1-xSe2体系中，晶格常数 a 和 c 被认为与 x 成线性关系，当元素满足 x ≈0.8 时，可获得 c=2a 的理想比值[33, 34]。

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