1、CIS类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究CIS类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料的制备与研究.txt39人生旅程并不是一帆风顺的，逆境 失意会经常伴随着我们，但人性的光辉往往在不如意中才显示出来，希望是激励我们前进的巨大的无形的动力。40奉献是爱心，勇于付出，你一定会收到意外之外的馈赠。 本文由shevjiang贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 分类号： ： 学校代号： 学 号： 密级： 峡建交戤挚 硕士学位论文 类薄膜光伏电池吸收层及缓冲层材料 的制备与研究 学生姓名： 导师及职称： 学科门类； 专业名称： 研究方向： 申请学
2、位级别： 论文答辩日期： 学位授予单位： 刘元之 薛钰芝教授 工学 材料学 薄膜光伏材料与器件 硕士 年月日 大连交通大学 摘要 摘要 太阳能是“取之不尽，用之不竭的清洁和可再生能源。铜铟硒类薄膜太阳能电池 具有优异的光电转换性能而受到广泛关注。（简称）是一种直接带隙材料，其 光吸收系数高达数量级，是目前己知光吸收性最好的半导体薄膜材料之一。类 薄膜太阳能电池以为吸收层、以为缓冲层，光电转换效率较高。 太阳光的最佳吸收能隙在，的带隙为，为了提高带隙宽度， 通常掺入，形成四元化合物。鉴于和均为昂贵金属，本文通过在 中掺入廉价的金属形成（认），改变材料的禁带宽度，以提高太阳 能电池的转换效率。缓冲
3、层中的有毒，本文制备无毒的替代做为太阳 能电池的缓冲层材料，对环境保护有利。 本文首先在玻璃衬底真空上蒸镀和金属多层膜以及后硒化退火的方 法，制得了和薄膜。然后以?和（）为原料，以? 为络和剂，用化学水浴沉积法（）制得了薄膜。进而，对制得的样品用射 线衍射仪（）、扫描电镜（）、能谱仪（）（）、四探针电阻测试仪、分光光度计等进 行了检测，并对结果进行了分析。 吸收层电性能测试结果显示，薄膜的电阻率在 ?与 ? 之间。当、的比例在：附近时，薄膜样品的电阻率在 ?数量 级，薄膜的电阻率较薄膜的低，最高为 ?锄。观察发现 薄膜样品的形貌随各元素比例不同而有差异。在化学计量比附近，富的样品晶粒较 大。物
4、相分析显示，在化学计量比附近能够获得单一物相的多晶薄膜，砧替 代部分后，保持了黄铜矿型结构。分光光度计检测结果显示，两种薄膜样品的 透光率在以下。 观察发现，薄膜表面形貌呈球形，颗粒细小；四探针电阻测试显示 薄膜的电阻率大于?，这样的电阻率满足制作太阳能电池的要求。物相 分析显示，薄膜呈非晶或微晶状态。分光光度计检测说明薄膜样品的透光率在 可见光波段大都在以上，其性能均显示了薄膜适于做太阳能电池缓冲层材料。 关键词：，太阳能电池，硒化 大连交通大学工学硕士学位论文 ， 、析 勰 ，晰 ， （） ， ， ， 曲， ， ， （）， ? （） 鹄 ? ， ：， ? 】?， 、 ? ?， ： ， ：
5、嬲 ， ， ， ： ； ； 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属：太蓬銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授杈太整壅通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。、一。？。 （保密的学位论文在解密后应遵守
6、此规定） 学位论文作者张主。毛之锄鲐蘑袍 日期：?丫年歹月午日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 日期： 加扩年月夕。日 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人安全意识到本声明的法俘效力，申请学位论文与资料若有不 一 实
7、之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：划灿之 日期：旷年莎月年占 第一章绪论 第一章绪论 刖 吾 能源是现代社会存在和发展的基础和动力。人类社会要实现可持续发展，面临着巨 大的能源的挑战，目前，人类社会能源消费的构成以不可再生能源为主。 化石能源的应用为现在经济社会的发展做出了巨大的贡献，同时也带来了一系列环 境问题：全球性温室效应使地面气温升高、空气污染，干旱、荒漠化、风暴和海平面上 升，废气、废液、废物等大量排放，自然资源大量浪费，造成人类环境的严重污染。随 着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显。根据（世界能源统计）的统计 数据，全球石油探明储量可供生产多年，天然气和煤炭分
8、别可以供应年和年。 在化石能源供应日趋紧张的背景下，世界各国均努力寻求稳定充足的能源供应，其中大 规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要部分。 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源也提出越来越高的要求，新能源要同时 符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；是安全、洁净，不会威胁人类和破坏环境。科 学家们为了环保正在开发清洁的再生能源以降低温室效应，而太阳能就是一种最重要的 可再生能源之一。从理论上看，太阳能每秒钟到达地面的能量高达万千瓦，如转化 为电能，则每年的发电量相当于目前世界上能耗的倍。太阳能具有许多优点：太阳能 随处可得，数量巨大，无需运输；取之不尽，用之不竭的可再生性
9、；既清洁又安全、无污 染，也不会影响生态环境。最重要的是太阳能发电可以将太阳光能直接转化为电能，是 太阳能利用研究中最重要的研究领域之一。因此，开发利用太阳能成为世界各国可持续 发展能源的战略决策，无论是发达国家还是发展中国家均制定了中长期发展计划，把光 伏发电作为人类未来能源的希望。 从世界可再生能源的利用与发展趋势看，风能、太阳能和生物质能发展最快，产业 前景最好，其开发利用增长率远高于常规能源。各国市场均给予太阳能发电相关公司较 高的估值水平，从一个侧面也反映出各国投资者对这一产业发展前景乐观的预期。我国 太阳能发电产业正处在成长初期，发展前景广阔。我国太阳能资源非常丰富，开发利用 的潜
10、力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与 建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的 扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。 大连交通大学工学硕士学位论文 太阳能电池的发展历程 太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的功能元件。早在年，法国科学家比 克丘勒就发现将一种半导体电极插入某种电解液中，在太阳光照射的作用下，电极产生 电流，即光电转转换现象，同时从电解液中释放出氢气。适合作这种电极的材料很多， 如硫化镉、碲化镉、砷化镓、磷化镓、磷化铟、二氧化钛等。年，科学家发现了第 一种能产生显著光电效应的固体材料一，相
11、继又发现了氧化亚铜也有此效应。从而表 明半导体材料是进行光电转换的最理想的材料【。 年美国贝尔研究所的，和首先应用这个原理试制成功 硅太阳电池，获得光电转换效率的成果【。早期的太阳能电池主要应用在航天领域， 年，美国的“先锋一号”人造卫星就是用了太阳能电池作为电源，成为世界上第一个 用太阳能供电的卫星，空间电源的需求使太阳电池成为了尖端技术。我国年开始 进行太阳能电池的研制工作，并于年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫 星上】。 光伏电池的发展经过了几十年，历经了三个主要阶段【：第一代太阳能电池，即单 晶硅光伏电池，这标志着太阳能开始借助人工器件直接转化为电能。这是世界能源界的 一次新的飞
12、跃。其后短短的半个世纪中，它以日新月异的速度飞跃发展。目前已成为空 间卫星的基本电源和边远地区及特殊领域的重要电源。高效单晶硅电池效率已达 嗍（澳大利亚）、美、日、德也达。但是成本较高，加工复杂。 第二代太阳能电池，即薄膜太阳能电池，是在年代末年代初开发，并取得了 令人瞩目的成绩。主要有：多晶硅薄膜、碲化 镉（）、铜铟硒化物（）薄膜和染料电池等。系列的光伏电池效率高（大于 ），但造价太高，仅适用于航天系统。镉系（，）电池有较高的效率（约）， 但稳定性差，制造时难以保证质量和低价格。薄膜电池最高效率可达，但成 本高，难制作。非晶硅的来源较广，但是转换效率低，一般只有以下。非晶体硅多 结电池效率可
13、达，但制作大面积薄膜尚存在一些技术上的和成本上的问题【】。 第三代太阳能电池：它突破了第一，二代的基本原理。根据理论计算，太阳的热动 力学转换效率限于，对于有限数量的光伏电池组，太阳能的直接转换效率可为 ，因此，光伏电池具有很大的发展潜力。不同于单结的器件，集合堆垛电池（ ）具有不同的能带间隙，可以运用低维纳米结构材料、量子阱、量子线、 量子点及超晶格、多层膜的特殊性能，以及半导体的杂质工程，人工制造出高效，低价， 适用的光伏材料及器件【】。 第一章绪论 太阳能电池的发展历史和研究现状 国外太阳能电池的发展历史和现状 自年实验室开发出单晶以来【】，的转换效率逐渐提高， 逐渐引起光伏界的关注。年
14、美国州大学首次开发出薄膜太阳电池，转 换效率达。年，公司通过蒸发，制造出的电池效率超过。 年，提出新技术硒化法，该项技术简单，廉价，是制作电池最 重要的技术之一。年，开发出转换效率为的电池，这是转换 效率首次超过并且显示了其长期的稳定性。年，瑞典皇家技术学院报道了效 率为，面积的太阳电池，创造了当时的世界记录，并且标志了太 阳电池工业开发的良好前景【吲。 在世纪年代，日本和欧美在太阳能电池的研究方面投入大量人力物力， 薄膜太阳能电池得到长足的发展。 日本从年启动产业化开发项目，由昭和壳牌石油和松下电器分别 以溅射硒化工艺和共蒸发工艺为中心进行研发，研究开发总投资达到亿日元（相当 亿人民币）以上
15、；年月，昭和壳牌石油公司已经完成技术开发，其的中 试生产线已经开始生产，技术路线以、溅射成膜，硒化，组件 转换效率。准备建设级生产线，预定年向市场提供商用 太阳能电池。日本本田公司也宣布完成了的产业化开发，并宣称将来本田的工厂 用电力的将使用太阳能，给太阳能电池业界带来很大冲击【】。 年， （美）声明可以在年之内提供商用组件， 公司年生产的模块效率稳定平均在之间，试产的合格成品率在以 上。同时 在其模块制造大楼中建造了世界最大的屋顶薄膜光伏系统 是系统，其功率达到。美国在年月取得的太阳能电 池的最高转换效率为。美国日星技术公司（）因光伏电池 获得年度技术创新奖，在美国国家可再生性能源实验室，日
16、星太阳能电池公司示 范了它的薄膜电池，其光电转化效率为，这一结果高于所有非晶体类太阳能电池， 同时在洁净能源市场领域有很高的竞争力，福斯特和苏利文研发中心的分析员克里斯南 评价说：日星的合金卜】。 年，德国的 开始制造太阳能电池组件， 的试产 稳步发展，试产线在年成功持续以最大产量生产。性能最好的标准模块 功率达到，其对应的块效率达到。他们的技术路线是、 共蒸发，并进行次硒化。值得自豪的是 公司在德国的一所学校的屋顶上 大连交通大学丁学硕十学位论文 设置了一个的组件发电系统，是现在世界上最大的发电系统。瑞典 的大学研制的小型太阳能电开始在欧洲销售太阳能电池组件（ ），平均转换效率，年末产量达到
17、，生产能力达到年。 国内太阳能电池的发展历史和现状 与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内对薄膜太阳能电池的研究相对 要落后许多。我国南开大学、内蒙古大学和云南师范大学等单位于年代中期先后开 展了薄膜电池研究，目前国内研究水平最高的是南开大学，其采用蒸发硒化法制备 的薄膜电池效率在年达到了，年又取得了新的进展，铜铟硒薄膜 电池光电转换效率超过，大幅度提高了工艺的重现性，转换效率在范围 内的成品率达到以上：而全国以产业化为目的的研究项目也只有南开大学光电子所 的以能源技术领域后续能源为技术主题的太阳能薄膜电池“项目“”课题。近 期国内也有一些单位特别是清华大学、北京大学等高校也在从事或准备从事
18、、 薄膜太阳能电池方面的研究工作，但是研究水平与国外差别仍然不小。从目前国内的太 阳能电池生产情况看，所引进的生产线大多是硅基太阳电池的生产线，还没有一条 电池的生产线。因此还有巨大的市场潜力孓。 在中国产业界，也有一些企业已经涉足薄膜太阳能电池领域，以玻璃生产和玻璃深 加工为主业的山东威海的蓝星公司一直希望介入太阳能电池行业，并在大量调研充分论 证的基础上提出从美国 公司引进两条，光电转化效率大于，最终 能达到的太阳能生产技术和设备。并在年月已经签署相关合同。同 时蓝星计划与清华大学功能薄膜实验室成立联合研究中心，一方面消化国外太阳 能电池的相关技术，同时研究太阳能技术领域的关键技术。 安泰
19、股份也已经与德国一家公司签约，在德国公司拥有的在金属带材上采用电镀法 制备铜铟硒太阳能电池技术的基础上共同合作开发相关的技术，以此契机介入太阳能电 池生产领域。 广西地凯股份有限经过调研与分析，也决定与清华大学合作研究开发太阳能 电池，并最终能生产薄膜太阳能电池，现已经投入一定的研究费用和设备费用。 一直生产非晶太阳能电池的深圳拓日也计划通过引进日本的技术生产薄膜太阳能 电池【。 太阳能电池的原理吨 光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同 部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡 第一章绪论 层的存在。以下以结为例说明。 热
20、平衡态下的结 （）卜结的形成： 同质结可用一块半导体经掺杂形成区和区。由于杂质的激活能量很小，在 室温下杂质差不多都电离成受主离子和施主离子。在区交界面处因存在载流 子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在区的电子为多子，在 区的电子为少子，使电子由区流入区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原 来是区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子形成正的空间电荷。 同样，空穴由区扩散到区后，由不能运动的受主离子形成负的空间电荷。在 区与区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是 出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场），此电场对两区多子的扩散有抵制作用， 而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳 定的内建电场。 圈圈园圃 乓笤，一 嚣万一焉跏 可 ） ，露 力 图热平衡 结模型及能带图 （）结能带与接触电势差： 在热平衡条件下，结区有统一的）在远离结区的部位，、，之间的关系 与结形成前状态相同。 从能带图看，型、型半导体单独存在时，与）有一定差值。当型与 型两者紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的 方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从区指向区。在内建电场作用下， 将连同整个区能带一起下
