有序微纳结构的构筑及其在CIGS薄膜太阳能电池中的应用

发布时间：2020-10-09 13:33

　　随着能源危机的日益加剧及人类生存环境的不断恶化,开发和利用新的能源成为当务之急,而太阳能作为一种清洁可再生的能源备受青睐。一方面,太阳能资源丰富,取之不尽;另一方面,清洁无污染。当光照射在太阳能电池的表面,可以在没有机械转动或污染副产物产生的情况下,将入射光的能量直接转化为电能。在种类繁多的太阳能电池中,薄膜太阳能电池具有成本低、运输便捷、便于建筑一体化以及可大规模生产的优点,成为太阳能电池发展的必然选择。作为薄膜太阳能电池中重要的一员,铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池自二十世纪七十年代诞生以来,受到研究者的广泛关注。CIGS具有光电转换效率高、抗辐射能力强、禁带宽度可调及光吸收系数高等一系列优良的特性,是一种理想的太阳能光电半导体材料。经过不断的优化、选择和发展,目前其最佳的器件结构为钠钙玻璃(SLG)/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO/MgF_2,其核心功能部分是由p型半导体材料CIGS吸收层和N型CdS缓冲层所形成的异质结。其主要工作机理是:在外部入射光子的激励作用下,在CIGS吸收层中产生电子-空穴对,p-n结中的内建电场会促使电子-空穴对发生分离,电子向顶电极聚集,空穴则向背电极聚集,经由外电路形成源源不断的电流。尽管当前CIGS太阳能电池技术已取得长足进步,但其薄膜化的特点决定了其存在光吸收效率和载流子收集效率之间的博弈和竞争,如何在保证具有较高光吸收效率的同时又具有良好的载流子收集效率仍是进一步提升CIGS太阳能电池器件光电转换效率的关键问题之一。众所周知,纳米结构具有比表面积大、光学带隙宽化、多激子产生效应、量子限域效应等特性。近年来,硅基薄膜太阳能电池研究表明,引入有序纳米结构是解决光吸收效率和载流子收集效率两者之间矛盾的有效方法之一。在本论文中,为进一步提升CIGS薄膜太阳能电池的性能,针对其薄膜结构所存在的光吸收效率和载流子收集效率之间的主要矛盾和关键问题,采用廉价易行的胶体球刻蚀技术设计构筑不同的微纳有序结构。在CIGS薄膜电池的不同功能层分别设计引入三种不同的有序微纳结构,从增加光吸收效率以及载流子收集效率等多个角度考虑,实现利用微纳有序结构材料增效CIGS薄膜太阳能电池的目的。主要研究内容如下:(1)、顶电极制备氧化锌空腔结构作为减反层增强光吸收:采用液面自组装转移技术,在衬底上组装形成六角密排的PS胶体球模板。以AZO为种子层、PS微球为掩膜,调节PS微球粒径,采用水热生长法构筑不同周期的有序氧化锌(ZnO)空腔结构。将300 nm PS微球为模板制得的氧化锌空腔结构作为减反层组装到CIGS薄膜器件的表面,利用其陷光效应来增强光吸收效率。研究结果表明:与传统无纳米结构引入的CIGS薄膜电池器件相比,短路电流密度(J_(SC))和光电转换效率有较为明显的提高。(2)、背电极构筑Mo纳米网格结构增大载流子收集几率:在Mo/SLG衬底上以1.3μm PS微球为模板,利用反应离子束刻蚀(RIE)制备非密排PS微球为掩膜,调节Mo溅射时间,甲苯超声去除PS微球后,得到深度不同的Mo纳米网格结构。将深度不同的Mo纳米网格结构应用到CIGS薄膜电池中,CIGS吸收层镶嵌在钼纳米网格中,减小载流子的扩散距离。研究结果表明:与无Mo纳米网格结构引入的薄膜电池相比短路电流密度(J_(SC))和光电转换效率略有增大,但开路电压有所降低;此外,以玻璃为基底制备钼纳米网格结构构筑双面透光的薄膜光伏器件,光正面垂直入射时,光电转换效率为3.52%;光由背面垂直入射时,光电转换效率为1.78%。(3)、溶液刻蚀CIGS薄膜在异质结处构筑类锥型纳米结构增大电子-空穴对的分离效率:在CIGS薄膜层构筑非密排PS微球单层模板,利用一定浓度的Br_2/CH_3OH溶液刻蚀CIGS薄膜层,去除PS微球后得到有序的类锥型纳米结构。将此结构吸收层组装电池器件,使异质结的接触面积增大,从而增强载流子的分离效果。初步研究结果显示:经过优化刻蚀过程,可构筑结构有序的CIGS吸收层,所组配的器件与未处理的CIGS层组装的电池器件相比,开路电压(V_(OC))降低,短路电流密度(J_(SC))和填充因子(FF)基本保持不变,整体光电转换效率有所减小。仍需要开展进一步工作,即对类锥形纳米结构表面进一步优化处理,从而实现增大异质结面积增强电子-空穴对分离效率的实验构想。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：

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应用更为广泛。1.2 太阳能电池简介1.2.1 太阳能电池工作原理“光生伏特效应”是太阳能电池的工作基础[11]，即太阳能电池是一种将光能转换能的半导体装置，当其受到太阳光照射时，电子吸收能量，从价带跃迁到导带形成-空穴对。在内部自建电场的作用下，电子-空穴对发生分离，电子向 n 区移动，空 p 区移动，在 n 区、p 区分别存在过剩的电子和空穴，产生光生电动势，在接入负情况下，会在外部电路中形成光生电流。硅太阳电池的结构和能带简化图如图 1-1 ，空间电荷区能带弯曲程度决定内建电场强度，与同质结两边的掺杂浓度直接相关当电子-空穴对在耗尽层边界一个扩散长度以外时则容易发生复合。因此，光吸收少子寿命和扩散长度对电池器件性能起着关键的作用。

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图 1-2 太阳能电池实验室最高光电转换效率发展趋势图为减小原材料损耗、降低生产成本，薄膜太阳能电池进入人们的视野，成为研究的热点。薄膜电池一般以低成本的柔性材料或玻璃为衬底，由吸光层、半导体层、窗口层背电极层组成，其核心组成部分是由半导体层和吸光层构成的异质结。吸收层的首选材料是具有高光吸收系数的直接带隙半导体材料，因此绝大部分太阳光被吸收仅需要几微米的厚度，与硅电池相比成本低、材料耗费少。此外，大面积的薄膜太阳能电池可以整体制备，不需要额外的组装过程，操作方便。但由于薄膜电池光电转换效率低于晶体硅电池且生产技术不够成熟，导致其市场占比较低。图 1-2 展示了 1976-2018 年太能电池实验室最高转换效率的发展趋势图。目前，实现商业化大规模生产最具潜力的电池是非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)电池。尽管非晶硅电池技术较为成熟，在薄膜电池市场占主导地位，但其目前效率最低，其发展受到一定的制约；CdTe 在工业生产上发展迅速且生产成本较低，但 Cd 有毒，对环境及人体都有很大的损害，其发展因此受到限制；CIGS 薄膜电池具有抗辐射性能好、带隙可调、对环境友好且转换效率高

黄铜矿结构,氧化锌

图 1-3 CIGS 黄铜矿结构图膜太阳能电池的结构组成及工作原理要是以玻璃为衬底、钼(Mo)作为背电极，CI缓冲层、本征氧化锌(i-ZnO)和掺铝氧化锌(ZF2)组成[16]。每一层的功能和最佳厚度如图 1-

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