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低温三步法制备柔性CIGS太阳电池许楠;胡占宁;张嘉伟;连文娟;薛玉明【摘要】以聚酰亚胺(PI)为衬底的柔性铜铟镓硒[Cu(In,Ga)Se2,简称CIGS]太阳电池因其极高的质量比功率受到广泛的关注与研究.采用低温“三步法”共蒸发工艺制备吸收层ClGS薄膜,在第二步时薄膜会经历富Cu的生长过程,并通过拉曼检测到CuxSe生成.通过X射线衍射光谱法(XRD)分析ClGS薄膜晶体结构,薄膜择优取向呈现为(220)/(204)晶向.扫描电子显微镜(SEM)分析发现CIGS薄膜颗粒大且致密.在PI衬底上制备的CIGS薄膜太阳电池的转换效率达到6.57％.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)006【总页数】3页(P1075-1077)【关键词】三步法;CIGS薄膜;柔性衬底;太阳电池【作者】许楠;胡占宁;张嘉伟;连文娟;薛玉明【作者单位】天津工业大学理学院,天津300387;天津工业大学理学院,天津300387;天津理工大学电子信息工程学院天津市薄膜电子与通信器件重点实验室,天津300384;天津工业大学理学院,天津300387;天津理工大学电子信息工程学院天津市薄膜电子与通信器件重点实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM914CIGS薄膜太阳电池是以多晶Cu(In0.7,Ga0.3)Se2半导体薄膜为吸收层的太阳电池，CIGS薄膜为直接带隙半导体材料，具有可调节的禁带宽度，较高的吸收系数。
CIGS薄膜太阳电池具有较强的抗辐射能力，较好的稳定性和弱光性等特点，成为研究发展的热点。
而以柔性材料为衬底的CIGS薄膜太阳电池又具有极高的质量比功率，因此在空间领域具有很强的应用前景。
2008年，美国NREL实验室在玻璃衬底上制备的CIGS薄膜太阳电池效率达到19.9%[1]。
2011年德国ZSW实验室将这一效率提高到20.3%[2]。
2010年瑞士EMPA实验室在PI衬底上制备的CIGS薄膜太阳电池效率达到17.6%，在2012年将其提高到18.7%[3]。
CIGS薄膜太阳能电池的研究及制备摘要：CuIn1-xGaxSe2（CIGS）薄膜太阳能电池以其效率高、稳定性强、耐辐射、耗材少等众多优点成为近些年太阳能电池领域的研究热点。
这种电池的性能主要由吸收层 CIGS薄膜的质量决定，目前其主要制备方法有：共蒸发法、金属预置层后硒化法、电沉积法和喷雾高温分解法等，然而由于 CIGS 薄膜结构复杂，结晶成膜要求条件较高，以共蒸发法和金属预制层后硒化法为主的制备方法还存在着各种各样的问题，阻碍了其产业化的进程。
本文利用磁控溅射方法制备了 CIGS 薄膜太阳能电池各层薄膜，研究了溅射的工艺参数以及退火温度对薄膜结构和各种性能的影响。
关键词：CIGS薄膜太阳能电池,磁控溅射,合金靶,固态硒源,硒化1 引言能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据估纠¨，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。
随着全球经济的发展，尤其是中国、印度等新兴国家经济的快速增长，整个世界正在以前所未有的速度消耗自然资源，这也是世界原油、煤炭价格飙升的一种基本因素。
2004年，世界一次能源消费构成中煤炭占27．2％、石油占36．8％、天然气23．7％、水电占6．2％、核电占6．1％；同期中国一次能源消费成中煤炭占69．0％、石油占22．3％、天然气占2．5％、水电占5．4％和核电占O．82％。
随着一次性能源走向枯竭；未来人类将无可选择地依赖太阳能、风能、核能等清洁能源；尤其是取之不尽的太阳能。
正因为如此，即便在成本高企的现状下世界各国政府依然未雨绸缪，在政策上给予大力的支持，推动光伏产业的高速发展。
因此，太阳能光伏发电成为了世界上各种能源中发展最快的能源之一，世界光伏产业在上世纪80年代至90年代中期，年平均年增长率为15％左右。
90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。
1997年世界太阳电池光伏组件生产达122MW(太阳能电池的峰值功率，通常可用Wp表示)，比1996年增长了38％，是4年前的2倍，是7年前的3倍，超过集成电路工业。
CIGS薄膜太阳电池的制备及性能研究的开题报告题目：CIGS薄膜太阳电池的制备及性能研究研究背景与意义：CIGS (Cu(In,Ga)Se2) 太阳电池作为一种高效、稳定、可持续的能源转换装置，近年来受到了广泛的研究和关注。
相比于传统的硅基太阳电池，CIGS太阳电池具有更高的光电转换效率、更高的光伏电压和更长的使用寿命。
此外，CIGS太阳电池的薄膜性质使其可以在比较小的面积上进行能量转化，从而可大大降低生产成本和减少对资源的消耗。
因此，研究CIGS薄膜太阳电池制备及其性能的关键技术和方法，有助于推广和应用太阳电池技术，以满足能源需求的可持续发展。
研究内容：本研究主要围绕CIGS薄膜太阳电池的制备及其性能进行研究，具体研究内容包括：1. 制备CIGS薄膜太阳电池的各种材料和设备的选择和优化，包括可成膜的电极、CIGS各组分的配比优化等。
2. 研究不同制备工艺对CIGS薄膜太阳电池性能的影响，包括物质沉积方法、退火温度、退火时间等。
3. 测试和分析CIGS薄膜太阳电池的基本性能参数，如开路电压、短路电流、填充因子和转换效率等。
4. 对CIGS薄膜太阳电池的构型、晶体结构和表面形貌等进行表征和分析，以获得更深入的认识。
研究方法：本研究主要采用以下方法：1. CIGS薄膜太阳电池的制备工艺研究，包括物质沉积、退火、电极制备等步骤。
通过不同的实验参数和条件进行探究，并对其进行测试和分析。
2. 太阳电池性能测试研究，包括IV曲线的测量和分析，以及转换效率和填充因子的计算。
3. 材料表征和分析，使用XRD、SEM、TEM等技术对CIGS薄膜太阳电池的晶体结构、构型和表面形貌进行研究和分析。
预期成果和意义：通过本研究，将制备出一批高性能的CIGS薄膜太阳电池，并对其基本性能参数进行测试和分析，同时，对其构型、晶体结构和表面形貌等进行表征和分析，以深入了解其制备过程及性能特征。
这些成果将在新能源领域具有重要的科学和工程价值，带来可持续的能源转换和应用潜力。
光电子#激光第21卷第2期2010年2月Jour nal of Optoelectronics#Laser Vol.21No.2F eb.2010掺Na制备柔性聚酰亚胺衬底CIGS薄膜太阳电池*姜伟龙,张力,何青,刘玮,于涛,逄金波,李凤岩,李长健,孙云**(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,天津300071)摘要:研究了Na掺入对低温沉积柔性聚酰亚胺(PI)衬底Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜的结构和电学特性影响。
研究结果表明:Na元素的掺入使Ga元素的扩散受到了阻滞,但对CIGS薄膜晶粒尺寸没有明显的影响,少量的Na可提高CIGS薄膜的载流子浓度和降低电阻率;Na的掺入可明显提高CIG S薄膜太阳电池的器件特性,通过优化掺Na工艺,制备的柔性PI衬底)CIGS薄膜太阳电池的最高转换效率达到10.4%。
关键词:Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜;柔性聚酰亚胺(PI)衬底;Na掺入;高转换效率中图分类号:O484文献标识码:A文章编号:100520086(2010)022*******High efficiency Cu(In,G a)S e2thin2film solar cells doped Na on polyimide substrateJIANG Wei2long,Z HANG Li,HE Qing,LIU Wei,YU T ao,PANG Jin2bo,LI Feng2yan,LI Chang2jian,SUN Yun**(Tianjin Key Laboratory for Photoelectronic Thin Film D evices and T echnology,Institute of Photoelectronic ThinFilm Device and Technology,Nankai University,Tianjin300071,China)Abstract:The effects of Na incorporation on the struc t ural and electric al properties of Cu(In,Ga)Se2(CIGS)thin films on polyimide(PI)substrate by low2temperature process are invest igated.As shown byXRD,the diffusion of Ga is hindered by Na,the Na inc orporation has no influence on the grain siz e ofCIGS thin films.The device perf ormances of solar cells based on CIGS thin f ilms on PI with Na incorpo2ration are remarkably improved due to the improvement of elec t rical properties of C IGS.The mec hanismis that Na inc reases the carrier conce ntration and reduc es the resistivity.A high conve rsion ef fic iency of10.4%has been ac hieved on PI substrate by improving the Na inc orporation proc ess at the substratetemperature of450e.Ke y words:Cu(In,Ga)Se2(CIGS)thin2f ilm;f lexible polyimide substrate;Na inc orporation;high conve r2sion efficiency1引言柔性聚酰亚胺(PI)衬底Cu(In,Ga)S e2(CI GS)薄膜太阳电池以其轻、薄、重量比功率高和适于卷2卷沉积(roll2to2roll)等优点,成为C IGS薄膜太阳电池发展的重要方向[1~5]。
CIGS薄膜中掺入0.1%的Na可使C IGS太阳电池性能提高30~50%[6]。
在传统Na2Ca玻璃(S LG)衬底CIGS太阳电池制备中,Na可由衬底向CIGS吸收层自发扩散而实现Na的掺入。
但是,由于PI衬底不含Na,因此在制备中必须加入Na掺入工艺。
Na对CIGS电学特性的改进是公认的[7,8],但对CIGS 结构特性的影响存在争议,在不同的工艺下,观察到了不同、甚至相反的结果[8~11]。
另外,Na掺入的方式和掺入量也必须严格控制。
Na掺入过少,对薄膜改性不充分,Na掺入过多又会造成薄膜脱落和器件性能衰减。
因此,研究Na对薄膜的结构特性和电学特性影响,有助于更好地理解Na在CIGS薄膜中的作用机制,优化掺Na工艺,改善CI GS薄膜的性能,进一步提高柔性PI衬底CIGS薄膜太阳电池的光电转换效率。
本文研究了有、无Na掺入对CI GS薄膜的结构、电学和器件特性的影响,并且通过优化的掺Na工艺制备出光电转换效率为10.4%的PI衬底C IGS薄膜太阳电池。
2实验实验中,使用的PI衬底厚度为25L m。
通过直流溅射工艺在衬底表面沉积厚1L m的Mo作为背电极,然后采用标准/三步共蒸发工艺0沉积1.5~2.0L m厚的CIGS吸收层[12,13],其中,第1步衬底温度为350e,第2、3步衬底温度均为450e。
¹收稿日期:2009211219*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60906033);高校博士点专项基金资助项目(200800551008);天津市科技创新基金资助项目(06FZZDGX01200);天津市重点科技攻关专项资助项目(05YFGZGX03400)**E2m ail:suny@随后,用水浴法沉积50nm 的C dS ,再分别溅射50nm 的i 2ZnO 和350nm 的ZnO:Al,最后蒸发Ni 2Al 栅电极完成电池的制备。
Na 的掺入采用Na 预制层工艺,即在CI GS 吸收层制备前,在Mo/PI 衬底上预先蒸发不同厚度的Na F 预制层。
实验中,同时使用了S LG 衬底作为参考样品,用于同PI 衬底样品进行对比。
用Magix PW240型X 射线荧光光谱仪测试CIGS 吸收层成分;用Panalytical X c Pe rt X 射线衍射(XRD)仪分析薄膜晶相,测试NaF 预制层厚度;用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面和断面形貌;用H L5550PC 霍尔测试仪测试吸收层的电学特性;器件特性在室温AM 1.5条件下用100m W/cm 2的标准光源进行测试。
3 结果与分析3.1 Na 掺入对Ga 扩散的影响在SLG 、含Na 的PI 衬底和无Na 的PI 衬底上按相同的工艺制备C IGS 薄膜,XRD 结果如图1所示。
3种衬底上生长的CIGS 均呈现标准的黄铜矿结构衍射峰。
3种样品晶相组成基本一致,但在SLG 、掺Na 的PI 衬底上沉积的CIGS 薄膜的(112)峰都出现了明显的/双峰劈裂0现象,由于C uIn 1-x Ga x Se 2的(112)峰会随着x 的增大(即形成多晶结构的Ga 含量增加)而右移,所以/双峰劈裂0的出现说明在薄膜中存在高Ga 和低Ga 两种CuIn 1-x Ga x Se 2的混合相,分别对应两个尖峰。
出现这一现象的原因可能是由于低衬底温度下元素活性不足,而造成Ga 扩散不充分[14]。
图1 3种衬底上同批沉积的CIGS 薄膜的X RD 晶相对比,右上角为放大的(112)峰Fig .1 X RD patterns of CIG S thin films grow n on substrates of S LG ,PI with N a and PI w ithout N a (Extended (112)peaks ar e show n in the inset patterns)双峰劈裂现象的出现与衬底温度有很大关系。
由于PI 材料在500e 以上会裂解、脆化,并释放气体,而且PI 的热膨胀会随着温度的升高而增大,进而造成C IGS 与Mo 的附着力差,CIGS 薄膜从衬底上剥离,所以实验中将衬底温度控制在450e ,比传统的玻璃衬底高温工艺的衬底温度低100e 左右。
较低的衬底温度造成沉积到衬底表面的蒸发原子活性不足,导致In 2Ga 互扩散不充分。
所以在高温工艺中不出现的/双峰劈裂0现象却容易出现在低温工艺中。
从图1可以看到,与含Na 衬底相比,在无Na 的PI 衬底上沉积的CI GS 薄膜并不存在明显的/双峰劈裂0现象,而是趋向单一的(112)峰。
因此可以认为,Na 的掺入阻滞了Ga 的扩散,使C uIn 1-x Ga x Se 2薄膜中发生了低Ga 多晶相与高Ga 多晶相的分离是这种/双峰劈裂0现象的成因。
为了进一步研究Ga 的扩散与Na 的关系,分别改变掺Na 的量和薄膜中Ga 的成分比例Ga/(InGa )(Ga/II I),对样片进行XRD 分析。
图2所示为不同厚度NaF 预制层时相同工艺制备的厚度及成分相近的CIGS 薄膜的(112)峰对比。
可以看出,随着Na 含量的增加,/双峰劈裂0现象渐趋明显,这说明,Na 掺入越多,C IGS 高Ga 多晶相和低Ga 多晶相的Ga 含量差距越大,进一步证明了Ga 的扩散受到了Na 掺入的影响。
图2 NaF 预制层不同厚度的CIG S 薄膜的XRD(112)峰对比Fig .2 (112)peaks of X RD patterns of CIG S thin films with N aF precurso r o f 10nm,20nm and 30nm图3所示为NaF 预制层厚度同为10nm 、Ga/III 不同的CIGS 薄膜的(112)峰对比。
随着Ga/III 的增大,双峰中左边的峰基本不动,而右边的峰逐渐右移,双峰间的间距逐渐拉大,双峰更趋明显。
这说明,当衬底温度、掺Na 量等条件不变时,继续增大Ga/III,只能使高Ga 相的Ga 含量继续增大,而不能使低Ga 相的Ga含量得到提升。
图3 Ga/(G a+In)不同的CIG S 薄膜的XRD(112)峰对比Fig .3 (112)peaks of X RD patterns of CIG Sthin films with different Ga/Órates#223#第2期 姜伟龙等:掺Na 制备柔性聚酰亚胺衬底CIG S 薄膜太阳电池为了进一步研究Ga元素扩散不均匀所导致的富Ga相和贫Ga相分别在薄膜的分布,对出现/双峰劈裂0现象的CIGS 样片进行了掠入射XRD(GI XRD)测试,如图4所示。
