ZnSe作铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层材料的生长研究.doc

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武汉工业学院 毕 业 设 计 论文题目： 姓 名 刘超学 号 081203102院（系） 电气与电子工程学院专 业 电子信息科学与技术指导教师 陈 良 艳 2012年6月6日 1 摘要21世纪人类面临的重大问题就是能源短缺和环境污染，发展清洁能源取代传统化能源成为解决这些问题的科学途径之一。水力发电、潮汐、核能和太阳能都是可再生清洁能源，有一定的发展空间。其中，太阳能作为种不污染环境，又取之不尽的新能源无处不在，这使光伏发电成为新能源利用中重要的组成部分。当今光伏市场是以晶硅太阳能电池为主，由于硅太阳能电池采用高品质单晶硅作为原料，成本很高。再者，硅太阳能电池使用的硅片厚度约为350微米，对高品质单晶硅使用量明显增加，这也是硅太阳能电池的一个困境。因此，发展低成本、新型薄膜太阳能电池是未来光伏科技的必然趋势。薄膜太阳能电池无论是对原材料的需求，还是制作工艺都比硅太阳能电池成本低。在薄膜太阳能电池中，目前研究较多的有非晶硅薄膜、碲化镉(cdte)、铜铟镓硒(cigs)等薄膜太阳能电池。cigs薄膜太阳能电池是在玻璃或者其它廉价衬底上沉积6层以上化合物半导体和金属薄膜材料，薄膜总厚度约34微米，该电池成本低、性能稳定、抗辐射能力强，其光电转换效率高，被称为最有前途的廉价太阳能之一。尽管对该电池的研究已有很多，但从大规模商品化和实用化来看，还有许多问题需要解决，其中寻找与cigs吸收层更加匹配的窗口层材料是实现商业化大规模生产必须完成的。本论文对太阳能电池窗口层材料硫化镉(cds)和氧化锌(zn0)的制各方法和工艺做了详细研究，制各出高质量的适合cigs太阳电池窗口材料，为实现cigs薄膜太阳电池商品化奠定了基础。关键词：薄膜太阳能电池；zno薄膜；cds薄膜：磁控溅射；化学水浴法 2 abstratc development of clean energy resources as an alternative to fossil fuels has become one of the important challenges for modern science and technology in the 21 century.reduction of air pollution and pressrvation of the ecological systems of earth are main motivation factors behind these huge efforts.some of the major contenders for the alternative clean resources are hydroelectric,tidal,nuclear and solar energy.but of all these renewable energy sources photovoltaics is the most promsing one as a future energy technology.the photovoltaic effect is the process of direct conversion of sunlight into electrical energy.the major advantage of these photovoltaics systems is that they tap an almost inexhaustible resource that is free of charge and available everywhere in the world.the main barrier impeding the expansion of the terrestrial application of photovoltaic is the high rpice of the solar cell modules.the reasons for these high costs are the high processing and material costs.a recent survey suggests that a further cost reduction to one fifth of the present level is a must for photovoltaics to match the conventional electricity price.one of the solutions to achieve a reduction in this cost is the development of thin film solar cells.this cost reduction is due to factors like lower material use,fewer and simper processing steps as compared to a traditional wafer based crystalline silicon solar cell.at present,research is done on the alloys of amorphous silicon,cdte,and cuse as major contenders for large scale production.the cuse-based solar cell belongs to the i-iii-vi class of thin film solar cells,and has shown great promise for photovoltaic applications.but there are many issues of fabricating a large aera,stable,high efficient cigs module by scaleable,low-cost techniques on inexpensive substrates.our project is improve techniques of preparing solar cell amterials,to increase performance of the devices and reduce asystem cost.zno and cds thin film play most importand role as window layers of cigs solar cells.in our project,i preared high quality zno thin film by using magnetron sputtering system and cds thin film by a modified chemical bath deposition technique. 3 目录第一章 绪论. 51.1太阳能简介. 51.2太阳能电池简介. 51.3太阳能电池原理. 61.4太阳能电池发展历史. 61.5太阳能电池分类. 71.6 太阳能电池国内外研究现状. 81.7待解决问题. 1018本论文研究的意义和内容. 10第二章 铜铟硒薄膜太阳电池. 112.1铜铟硒薄膜太阳电池简介. 112.2铜铟硒薄膜太阳电池结构. 112.3铜铟硒薄膜太阳电池的制作方法. 122.3.1电化学沉积法. 122.3.2喷涂热解法. 132.3.3丝网印刷法. 132.3.4共蒸发方法. 132.3.5溅射后硒化方法. 142.3.6制作设备介绍. 15第三章cigs 薄膜太阳能电池缓冲层的研究 . 173.1缓冲层的形成及发展. 173.2zns 缓冲层及其制备工艺 . 173.3zns薄膜的光学性能和禁带宽度 . 183.3.1 cis 半导体材料特性 . 183.3.2 cis 电池对材料的要求 . 203.4制备方法. 213.4.1化学水浴法. 213.4.2真空蒸发法. 213.5其它缓冲层研究. 22结论. 23参考文献. 25致谢. 27 4 第一章 绪论1.1太阳能简介太阳能（solar energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳能能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学植物体太阳能利用基本方式可以分为如下4大类。太阳能是氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，太阳能是人类能源的宝库，如化石能源、地球上的风能、生物质能都来源于太阳。太阳能的利用 间接利用太阳能：化石能源（光能-化学能）生物质能（光能-化学能）直接利用太阳能：集热器（有平板型集热器、聚光式集热器）（光能-内能）太阳能电池：（光能-电能）一般应用在人造卫星、宇宙飞船、打火机、手表等方面。1.2太阳能电池简介太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏(photovoltaic，photo 光线，voltaics 电力，缩写为pv)，简称光伏。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池发电是根据爱因斯坦的光电效应而运用于日常生活。黑体(太阳)辐射出不同波长(频率)的电磁波， 如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射 5 线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155ev，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅太阳电池的效率为25.0%，多晶硅太阳电池的效率为20.4%，单晶体硅薄膜太阳电池的效率为16.7%，非晶硅薄膜太阳电池的效率为10.1%。1.3太阳能电池原理太阳能电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用p型与n型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成p型与n型半导体，再利用p型半导体有个电洞(p型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与n型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到 1883年第一块太阳能电池由charles fritts制备成功。charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。1946年russell ohl申请了现代太阳能电池的制造专利。到了1950年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳能电池技术的时代终于到来。1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。6 在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。在这些国家中，美国于1983年在加州建立世界上最大的太阳能电厂，它的发电量可以高达16百万瓦特。南非、博茨瓦纳、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专案，鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994年日本实施补助奖励办法，推广每户3,000瓦特的“市电并联型太阳光电能系统”。在第一年，政府补助49的经费，以后的补助再逐年递减。到了1996年，日本有2,600户装置太阳能发电系统，装设总容量已经有8百万瓦特。一年后，已经有9,400户装置，装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度，预估日本住家用太阳能电池的需求量，也会急速增加。在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。2009年3月，财政部宣布拟对太阳能光电建筑等大型太阳能工程进行补贴。2010年9月9日大众科学报道，科学家利用水母身上提取的绿色荧光蛋白（gfp），该小组制作的装置可用这些“黏黏绿”将紫外光转化为自由电子。该科研小组制造的电池由在二氧化硅基底上被一个小缝隔开的两个简单的铝电极组成，gfp置于两电极中间并起连接作用。当把紫外光放进来的时候，gfp不断将光子抓走，并产生电子进入电路产生电流。同时，gfp非常廉价，不需要昂贵的添加剂或昂贵的加工，此外，它还能被封装成独立的不需要外光源的燃料电池。科学家相信，此能源装置缩小后可用来驱动微小的纳米设备。1.5太阳能电池分类太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类。硅太阳能电池：硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓iii-v族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。聚合物多层修饰电极型太阳能电池在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理