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柔性金属基底CIGS太阳能电池扩散阻挡层和吸收层的制备及表征

作　者: 范清喜
导　师: 潘勇
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: CIGS 柔性金属衬底扩散阻挡层磁控溅射硫化
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

柔性衬底铜铟镓硒（CIGS）太阳电池具有很多优点,它不但质量轻、可弯曲,而且可采用绕带式沉积,可以实现大规模生产,显著降低生产成本。以不锈钢带和铜带作为柔性衬底,不仅价格低廉,而且能适应高质量器件的高温制备环境。但是衬底中有害元素的扩散会降低电池的质量,需在衬底和背电极之间制备一层扩散阻挡层。采用溅射后硒化法制备铜铟镓硒薄膜,易实现大规模的工业化生产;后硒化采用固态硒颗粒作为硒源,安全、环保对设备要求低。但是现有固态硒源硒化装置不能实现柔性电池的连续化卷绕生产。因此本文的重点是研究可以低沉本制备用于不锈钢和铜衬底的新型扩散阻挡层,同时研究了吸收层预制膜的制备工艺和采用固态源连续化硒化工艺,为产业化生产提供基础数据。本文的主要研究内容如下:第一,选择Ni、Ni-Mo合金和Ni/Ni-Mo多层膜三种不同材料作为扩散阻挡层,研究了Ni/Ni-Mo多层膜的制备方法,并采用SEM、EDS等测试方法对比研究了三种不同材料作为扩散阻挡层的相关性能,结果表明,Ni/Ni-Mo多层膜适合作为柔性金属衬底CIGS太阳能电池的扩散阻挡层;且减小Ni子层的厚度并提高Ni-Mo子层中的Mo含量有利于提高多层膜的扩散阻挡作用。第二,采用磁控溅射的方法制备了Cu-In合金预制膜,分析了溅射功率对预制膜沉积速率、表面形貌、成分和相结构的影响。对溅射之后的预制膜在非真空快速升温到280℃的条件下进行了合金化热处理,保温2min即可获得理想的合金相结构。第三,针对柔性CIGS太阳能电池连续化卷绕生产工艺的需要,自行设计制造了连续化处理预制膜形成CIGS吸收层的硒化炉和相应高活性可控硒蒸汽供应装置。预制层随柔性衬底在炉腔中行进的过程中依次完成升温、硒化形成吸收层、冷却的过程,高活性可控硒蒸汽的供应装置实现硒蒸汽的持续供应和方便的可控性。第四,使用所设计硒化设备,进行了硒化工艺的研究,首先对比了不同衬底对吸收层的影响,然后探索了高温快速硒化工艺部分参数对吸收层的影响。表面沉积了Ni/Ni-Mo多层膜的不锈钢衬底能适应高温腐蚀环境,其上吸收层形貌与Mo玻璃衬底的吸收层形貌相同,且形成了以112峰和220/204峰为主的单一CuInS₂相结构。将预制层快速升温到700℃,进行高温快速硫化,载气流量对吸收层的质量有较大的影响;降低载气的流量,预制膜经高温硫化1min后,得到晶粒尺寸超过2μm且结合紧密并具有（112）面择优取向、符合理想Cu:In:S=1:1:2化学计量比的CuInS₂吸收层薄膜。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 太阳能电池  9-11
    1.1.1 太阳能电池的发展背景  9-10
    1.1.2 太阳能电池的种类  10
    1.1.3 太阳能电池的发展方向  10-11
  1.2 CIGS太阳能电池  11-16
    1.2.1 CIGS太阳能电池的结构及制备方法  11-13
    1.2.2 吸收层CuInSe_2薄膜的制备方法  13-15
    1.2.3 CIGS薄膜光伏组件  15-16
  1.3 CIGS太阳能电池国内外的研究及产业化情况  16-18
  1.4 柔性基底CIGS太阳能电池  18-20
  1.5 本课题研究目的与主要内容  20-21
第2章扩散阻挡层的制备及性能研究  21-36
  2.1 引言  21
  2.2 扩散阻挡层的制备及性能测试  21-27
    2.2.1 电沉积原理  21-22
    2.2.2 实验药品和仪器  22
    2.2.3 制备过程及工艺参数  22-24
    2.2.4 制备过程出现的问题及解决措施  24-27
    2.2.5 测试方法  27
  2.3 三种镀层作为扩散阻挡层的性能对比分析  27-32
    2.3.1 镀层形貌分析  27-28
    2.3.2 截面形貌分析  28-29
    2.3.3 扩散阻挡性能分析  29-31
    2.3.4 与背电极Mo的结合力分析  31-32
  2.4 Ni/Ni-Mo多层膜中子层厚度和Mo含量对其扩散阻挡性能的影响  32-35
    2.4.1 多层膜的截面形貌  32-33
    2.4.2 扩散阻挡性能  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章吸收层预制膜的制备  36-48
  3.1 引言  36
  3.2 磁控溅射的基本原理  36-37
  3.3 溅射功率对预制膜微观结构的影响  37-43
    3.3.1 样品的制备和表征  37-38
    3.3.2 溅射功率对预制膜沉积速率的影响  38-39
    3.3.3 溅射功率对预制膜三维形貌及粗糙的影响  39-41
    3.3.4 溅射功率对预制膜表面形貌和成分的影响  41-42
    3.3.5 溅射功率对预制膜相结构的影响  42-43
    3.3.6 结论  43
  3.4 非真空快速升温条件对预制膜合金化的影响  43-46
    3.4.1 不同保温时间对预制膜相结构的影响  43-44
    3.4.2 不同保温时间对预制膜形貌的影响  44-46
    3.4.3 不同保温时间对预制膜成分的影响  46
  3.5 本章小结  46-48
第4章硒化实验及硒化装置的设计  48-63
  4.1 引言  48-50
  4.2 连续式快速硒化炉及高活性可控硒蒸汽供应装置  50-54
    4.2.1 连续式快速硒化炉的设计  50-52
    4.2.2 高活性可控硒蒸汽供应装置的设计  52-53
    4.2.3 装置使用操作流程  53-54
  4.3 硒化实验  54-61
    4.3.1 不同衬底对吸收层的影响  54-57
    4.3.2 高温快速硫化对吸收层的影响  57-61
  4.4 本章小结  61-63
第5章总结与展望  63-65
  5.1 论文总结  63-64
  5.2 工作展望  64-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
攻读学位期间发表论文  71

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