CIS太阳能电池中CIS材料的制备与性能研究

1、CIS 太阳能电池中CIS 材料的制备与性能研究.txt 有没有人像我一样在听到某些歌的时候会忽然想到自己的往事_如果我能回到从前，我会选择不认识你。不是我后悔，是我不能面对没有你的结局。 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。 华南理工大学 硕士学位论文 CIS太阳能电池中CIS 材料的制备与性能研究 姓名：邹心遥 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：姚若河 20040218 华南理工大学硕士学位论文摘要在太阳能电池领域，要提高电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，最 基本且关键的问题是在

2、材料的选择及制各方面，本文对太阳能电池中薄 膜的制备及性能方面进行研究和探讨。 通过比较几种不同的制备多晶薄膜的方法，并结合现有的实验条件，本 文研究了用磁控溅射和硒化方法制备多晶薄膜材料的工艺过程。研究了溅射 功率对所制薄膜的沉积速率及结晶度的影响，用台阶仪测量了膜厚，用和 分析了膜的结晶度和择优取向，计算出膜的沉积速率与溅射功率的关系。尝试 了三种制备预制薄膜的方法：第一，在铜靶里面开槽灌铟做成铜铟混合靶； 第二，铜铟舍金靶：第三，铜、铟两靶交替溅射。在用、两靶交替溅射的方式沉积预制薄膜的所有样品中，最接近化学计量比的薄膜的制备条件 是：铜铟溅射功率分别为：和，溅射时间比为。同时对硒化退火

3、 方法进行多次的实验，探讨了获得薄膜的优化硒化工艺：氮气保护时，流量 为硒化基片温度为。目前为止文献上对太阳能电池异质结的能带结构及异质结 特性的理论研究和讨论仍较少。本文从理论上讨论了异质结的能带结构、 伏安特性。讨论结果表明改变和两种半导体材料的掺杂浓度， 异质结的能带结构也随之变化，从而改变其相应的伏安特性，因此，可通过设计 制造出最符合要求的能带结构和伏安特性的异质结，进一步提高 太阳能电池的效率。同时对异质结中开路电压与扩散长度的关系进行了分析， 经过计算机模拟得出了它们之间的关系曲线，计算表明保持载流子的扩散长度和 空穴的扩散系数不变，改变电子的扩散系数，开路电压基本不变；而随着空

4、穴扩 散系数的增大，开路电压逐渐减少。并从太阳能电池的等效电路出发，分析 了电池的串连电阻和并联电阻对电池的填充因子的影响。结果表明，在较大光生 电流情况下，较低的串连电阻和较低的反向饱和电流才能获得较高的填充因子。 关键词：太阳能电池：；磁控溅射；硒化 摘要 ， ， ， ， ， ， ， ： ， ： ， ： ， ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， 兰童翌三盔兰堡圭兰垡堡兰 ， ， ， ： ； ；华南理工大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品

5、。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：郭。鼬期：州争年；月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密臼。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：卸灯篷日期：哞月珀剔磴轹萨。叼日期：獬年月彩日第一章绪论第一章绪论

6、研究的目的和意义在科学技术高度发达的今天，信息、能源、材料等高新技术起着支撑社会的 作用。环保问题也为全球人类所关注。随着工业的不断发展，废气、废液、废物 等大量排放，自然资源大量浪费，造成严重的人类环境污染。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。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。太阳能存在广泛，可自由索取，且为“绿色”能源是种可利用的最重要的可再生能源。据专家估算，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约年。能源问题已成为世界关注的一个重大问题。 风能和潮汐能等虽属可再生能源，但受地理环境等条件

7、的限制。唯有太阳能辐射 到地球的每个角落，因而成为世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，总厦积三分之二的地区年日照时间超过小时， 西北一些地区甚至超过小时，粗略统计，我国陆地每年接收的太阳辐射量相 当于亿吨煤，按年我国一次能源亿吨标准煤计算，可用 年，在西部地区，人口密度低，距离骨干电网远，交通不便，显然太阳能是这些 地区的能源的最佳选择。因此我国大力开发利用太阳能资源势在必行。太阳因内 部发生着核反应，温度高达× ，会辐射出大量的热能。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的 能量需求”。而且，利用太阳能还可减少环境

8、污染。目前太阳能的利用主要集中 在热能和发电两方面，对于工业和其他产业部门，后者则是最理想的方案。利用 太阳能发电目前有两种办法：一是利用太阳能加热液体，使之变成气体用以驱动 涡轮机发电：另一种就是太阳能电池。根据半导体光生伏特效应（光伏效应）制 成的太阳能电池即光伏电池。是将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件。用这 种器件封装成太阳能电池组件再按需要将多块组件组合成一定功率的太阳能电 池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流一交流变换装置等相配套，即构成太阳能电池发电系统，也称之为光伏发电系统。它具有不消耗常规能源、无转动部 件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪声、无污染

9、等优点。年，描述了第一个硒制造的光生伏特电池。年制出单晶硅生长结光电池 年美国贝尔电话实验室研制出了第一个实用的硅太阳能 华南理工大学硕士学位论文电池。自这一块太阳能电池问世以来，太阳能电池得到了飞速发展，仅仅经过 多年的时间，目前已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊 领域的重要电源，已经被广泛应用于航天、农业灌溉、交通导航、微波中继、电 视转播、边远通讯、军事国防及偏僻山村和家庭等多个领域，并将进一步发展成 为世纪世界能源舞台上的主要成员之一。 太阳能电池发展现状：经过多年的努力，人们为太阳能电池的研究、发展 与产业化做出了巨大的努力。从本世纪 年代中期开始地面用太阳能电池

10、商品 化以来，全世界太阳能电池年产量以每年平均的速度增加，两同时其生产成 本却以每年平均的速度下降。由于晶体生长工艺的改进、对缺陷和杂质 的深入研究、应用吸杂等技术，使彳寻铸造多晶硅的效率得到了显著的提高。表卜 给出了地面用太阳能电池组件的成本与价格和商品太阳能电池组件效率的进展情 况（其中年为预计值）。表地面用太阳能电池组件的成本价格（美元）和效率（）【一 种年 份类（预计）成本价格成本价格效率（）成本价格效率（）成本价格效率（） 多晶硅 薄膜硅 在民用方面，近有报道：荷兰家电力公司投资万美元，要建造 套装有嵌板的住房。年完工时，可从太阳得到的功率，足以供给 该住房区能量需求的，其余部分由电

11、网承担。当地的日照比世界平均日照还 短，由上述装置提供的电比电网供电约贵倍。该公司和地方当局承诺对差额 给予补贴，旨在促进太阳能应用的发展。随着技术的进步，发电的价格可望降 低太阳能的利用也将加速。有人预计在下年有可能将发电商业化，我国太阳能发电的工作还处于开发初期，特别是在西部大开发中，一些太阳能发电 的开发项目已经启动。一种有效利用太阳能充电的新一代手机电池板已经在上海问世? 它既可用一般电源充电，也能在缺乏电源或充电器的情况下通过太阳电池 充电。在太空应用方面，美国的“赫利俄斯”号太阳能飞行器创下目前非火箭驱 动飞行器飞行高度的新记录，达到。它实际上是一个翼长、利用太阳 能动力的单翼飞行

12、器。它装有个由的发动机推动的小螺旋桨发动机的动力来自飞翼上× 个太阳能电池。研制它的目的主要是为了帮助设计未来用于火星场合的飞行器，有助于对火星进行勘测。由于太阳能飞行器可 以连续飞行，无须补充燃料，即使是在地球环境中也可用作广播和通信中继或气象预测。随着相关科学技术的发展和其他太阳能电池工艺的日趋成熟，太阳能电池的 成本将成为制约太阳能电池发展的主要因素。在太阳能电池的研制历程中曾使用 过各种半导体。硅是其中最重要的种。硅是单元素半导体，无毒，废弃硅对环 境没有污染。在各种硅太阳电池中，晶体硅电池一直占据着最重要的地位。在硅 太阳电池中，目前发展较为成熟的有单晶、非晶及多晶硅太阳电

13、池，但由于制作工 艺复杂使得生产成本一直居高不下。经过几十年的研究后。大块晶片型太阳能 电池的成本仍然太高，产品太贵造成太阳能发电系统产生的电力无法与传统的 电力相竞争。因而由于成本问题和抗辐射能力，单晶体太阳能电池的应用 受到限制。多晶硅薄膜电池由于具有较高的转换效率和大幅度降低成本的潜力而 逐渐成为人们研究的热点。然而即便如此，硅太阳能电池的成本还是一直居 高不下，从工商业产品发展的角度考虑，低成本、高效率、大面积的薄膜太阳能 电池的开发工作才有实际意义的。因此薄膜太阳能电池由于其成本相对较低而成 为今后太阳能电池的主要发展方向”。在滓膜太阳能电池中，电池 以其廉价、高效、近于单晶硅太阳电

14、池的稳定性和较强的空间抗辐射性能而得到 各国光伏界的重视，成为最有前途的新一代太阳电池。在，太阳能电 池的各种制备方法中磁控溅射和硒化退火方法更能满足制备和 双层结构的要求，同时该方法还适合于大面积的生产，因此，研究磁控溅射和硒化工艺制备高效率的，太阳能电池，并实现商业化生产，是 ，太阳能电池发展的必然趋势。由于现在国内对，太阳能电池的研究还处于试验阶段都在大力 探索规模化生产的工艺。因此，谁能抢先占领这个制高点，谁就能抢先占领这个 ，太阳能电池巨大的市场。所以研究适合 太阳能电池的 规模化生产的磁控溅射和硒化工艺势在必行，这必将极大地促进我国太阳能产业 的发展。而目前我国在太阳能电池的开发利

15、用上远远落后于国际水平整体处于 产量小、应用面窄、产品单一、技术较落后、太阳能电池平均转换效率不高的初华南理工大学硕士学位论文级阶段。因此，应该积极开展太阳能电池的研究与开发。在提高太阳能电池的转换效率的同时，降低成本实行大规模生产。努力将科研成果转换为社会经济效 益，这对我国国民经济的发展具有重要的意义。太阳能电池的简介迄今为止，已经研制出了很多种类的太阳能电池。太阳能电池按结晶状态可 分为结晶系膜式和非结晶系膜式两大类，两前者又分为单结晶型和多结晶型。按 材料可分为硅薄膜型、化合物半导体薄膜型和有机薄膜型，化合物半导体薄膜型又分为非结晶型（：，：）、族（，）、一族（系）和磷化锌（、，）等。

16、除了以上介绍的单面太阳能电池以外，美国科学家 最近研制出一种双面太阳能电池，其每平方米的发电量可达。这种双面太阳 能电池使用了单晶硅材料，正反两面都采用了用以捕捉光线的结结构，因此两 面都能把太阳能转换成电能。这种双面太阳能电池正面的光电转换效率为， 背面则为从各个角度反射过来的太阳反射光，其光电转换效率为。假定只 有的太阳光能够通过反射照到太阳能电池上，那么双面太阳能电池整体的光 电转换效率可达【”。 硅薄膜型太阳能电池从单晶硅太阳能电池发展到非晶硅太阳能电池、多晶硅 太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池，以及后来发展的化合物半导体薄膜型太阳 能电池，其制造工艺不断创新，成本也大幅度降低。 下面

17、主要从材料方面来介绍太阳能电池的种类。单晶硅太阳能电池作为商业用的太阳能电池，晶体硅太阳能电池从技术、工艺上讲都最成熟? 产量也最大。澳大利亚新南威尔士大学光伏器件及研究中心是这一研究领域中最 突出的代表，他们研制的电池，效率高达邮。美国、德国、日本等国高效电 池的效率也都超过。这些研究成就的意义不仅为降低晶体电池成本提供 了更大可能，同时对开发高效薄膜多晶电池，从而大幅度降低电池成本具有重要 意义。但由于单晶硅太阳能电池制做工艺复杂，使得生产成本一直居高不下，远不 能达到大规模推广应用的要求。因而由于成本问题和抗辐射能力，单晶硅太阳能 电池的应用受到限制。一一一苎二兰堕丝非晶硅太阳能电池为了

18、改善单晶硅太阳能电池成本高这一缺点，人们开始研究非晶硅（） 太阳能电池，非晶硅太阳电池成本低，便于大规模生产，正是由于这种经济上的 优势使非晶硅太阳能电池在整个太阳能电池领域中的地位迅速升高，成为些发达国家能源计划的重点。自年制备出第一个（）太阳电池实验样品（公司）后， 年在日本便诞生了太阳电池商品化产品（三洋公司等），到年， 太阳电池的产量就占到世界光伏产品总量的以上。然而，自年以后 太阳电池的市场出现徘徊，其产量虽然也逐年有所增加，但增加的速度远小于晶 体硅太阳电池。至今太阳电池的应用仍主要在消费品类型方面。而更广大的 应用市场，即作为能源的功率型应用市场尚未完全打开。影响功率型应用的主要

19、 问题是太阳电池的光致不稳定性。近年来，世界上许多公司竞相研发半透明 太阳电池、弱光太阳电池、柔性太阳电池，并取得了很大的进展 。 非晶硅太阳能电池的稳定效率一般为，由于其中存在有大量的（约 ），随着时间的推移，电池的性能将不可避免地要退化电池的寿命会因此而 大大缩短，通常小于单晶硅和多晶硅太阳能电池的一半，即约年左右。因此 非晶硅太阳能电池作为一种廉价的半导体光电转换器件受到人们的普遍重视，但 其本身存在的稳定性问题却成了推广应用的主要障碍。多晶硅太阳能电池多晶硅代替单晶硅可降低太阳电池的成本但多晶硅材料中存在大量的晶界 缺陷和由于生产过程中的应力等因素造成的晶粒内部缺陷。这些缺陷形成了有害

20、 的电复合中心，从而影响多晶硅太阳电池中光生载流子的传输，导致电池性能下降。近年来，在晶体硅太阳电池提商效率和降低成本方面取得了巨大成就和进展。埋栅电池是其中最成功的范例之一，它具有规模化生产的前景，是一种较实用的 低成本高效电池技术。埋栅技术具有栅线阴影面积小、接触电阻损失少、较高的 电流收集效率等优点，机械刻槽还便于实现机械化生产。这项工作已经取得了一定的进展，在标准测量条件（， ，）下， 电池的转换效率达。华南理工大学硕士学位论文多晶硅薄膜太阳能电池单晶和多晶硅体太阳能电池的特点是转换效率高、寿命长和稳定性好，但成 本较高。对于单晶单晶硅和多晶硅太阳能电池，其成本的一半左右来自硅材料本身

21、。要降低电池的成本首先要降低材料所占的成本。尽管人们已能生产面积较大（ ）而又较薄的硅片，但由于生产操作和成品率的要求，要使目前的硅材料的厚度从左右进一步降低的空间是非常有限的。多晶硅薄膜太阳能电池是兼具单晶硅和多晶硅电池的高转换效率和长寿命等 优点的新一代电池。在多晶硅薄膜太阳能电池技术商业化研究开发方面，代表世界最高水平的澳大利亚 ，于年月宣布研制成了转换效率超过的多晶硅薄膜太阳能电池小组件。 多晶硅薄膜电池的转换效率已高于非晶硅薄膜电池的转换效率，不过躁单晶 硅和多晶硅电池比较起来，非晶硅电池的转换效率还有一定的差距。多晶薄膜太阳能电池发展低成本的多晶薄膜太阳电池材料，有望解决日益严重的

22、能源危机。用于 太阳电池的多晶薄膜材料主要有：、，和。基电池结构简单，容易实现规模化生产成本相对低廉，是近年来国内 外的研究热点。其沉积技术有近空间升华法（）、电化学沉积法、物理气相沉 积法等。、薄膜的制备技术有真空蒸发法、溅射法、近空间升华法、元素汽相化合法、电化学沉积法等“。纳米晶电池纳米晶电池是一种光电化学式电池，是由在年首先提出来的”“， 受到绿色植物光合作用的启发，研制出了一种纳米晶染料增感太阳能电 池，在某种意义上讲这种纳米晶电池可以说成是具有绿色植物光合作用的“人造 树叶”，有人将其称为分子电子器件。纳米晶电池的结构如图卜所示；第一章绪论圈纳米晶电池结构图 纳米晶电池（）主要由以

23、下几部分组成：镀有透明导电膜（掺的，） 的导电玻璃、多孔纳米 ：或，。，膜、染料光敏化剂、固体电解质膜 以及起多重作用的铂电极。电池的工作原理同常规硅太阳电池有很大差别。 硅太阳电池的主要成分是，它的带隙为，在可见光范围内即可将它激发， 在蹦结电场作用下产生电流；而电池，由于 ，的带隙，可见光不 能将它激发，若在 ，表面吸附特性良好的染料光敏化剂，则染料分子在可见 光的作用下通过吸收光能而跃迁到激发态，由于激发态不稳定，通过染料分子与，表面的相互作用。电子很快跃迁到较低能级的 ，导带。进入 ，导带 的电子最终将进入 ，导电膜，然后通过外回路产生光电流。纳米晶电池的原 理如图卜所示。图卜纳米晶电

24、池工作原理图 华南理工大学硕士学位论文铜铟硒太阳能电池铜铟硒太阳能电池（）是从世纪年代初发展起来的多晶薄膜电池。 它具有高效、廉价、稳定的特点。是本世纪最有发展前途的太阳能电池之一。在 众多光伏材料中，类材料以其低廉的造价，优良的户外稳定性以及高的光电 转换效率，成为未来太阳能电池的主选材料，受到世界各国的关注。是， 的缩写，是一种一族三元化合物半导体材料。太阳电池简称 太阳电池。它是以型铜铟硒（，）和型硫化镉（）作成的异质结薄 膜太阳电池。它的发展过程经历了几个阶段，最早的薄膜是单晶膜，是于 年在贝尔实验室制备出来的。自此以后。太阳能电池的转换效率逐步提高， 生产成本逐年下降。其转换效率的提

25、高如图卜所示。此图表示出了太阳能 电池的发展历程。悖播鼍凝萍解 垃 嬲年份图卜 太阳能电池的发展历程 年，第一个太阳能电池在缅因，蚺州立大学诞生，当时的效率为 年，波音公司用、三源蒸发法制备出来的太阳能电池效率达到。年，西门子太阳能公司推出了一种新的方法一硒化法该方法简单，成 本低，是一种很重要的制备薄膜太阳能电池的方法。年，西门子太阳能公司制备出转换效率为的薄膜太阳能电池。 用了年的时间第一次超过了的记录，并且该电池具有很好的稳定性。 年瑞典皇家工学院报道了面积为 、效率高达的太阳第一章绪论能电池。这在太阳能电池领域打破了世界记录，同时也显示了太阳能电 池在工业发展方面有很好的前途。在年，将

26、代替部分的。：太阳能电池的效率又达到。目前，（，）：太阳能电池已取得了的转换效率，其中吸收 以上太阳光谱的黄铜矿结构四元化合物。：对器件整体性能的影 响起着至关重要的作用。，太阳能电池目前研究存在以下的问题： 提高太阳电池的光电转换效率和降低成本是太阳电池研究的主要方向。薄膜 太阳电池能够大幅度降低材料的用量，是降低太阳电池成本最有效的手段。目前 要得到高转换效率的 太阳能电池，其关键在于如何制备高质量的吸收薄膜。大量的研究发现，高质量的：吸收层应具备两方面的 性质：一是多晶薄膜应有较好的致密性及较大的晶粒（平均粒径大于）以尽量减少晶界缺陷：而是薄膜应具有富铜（）和富铟（）的双层结 构以形成型

27、半导体区和型半导体区，在，的表面形成结。迄今为止，人们已经采用了多种方法来达到这两种要求，具体的方法有铜、铟、硒三源蒸发方法”】：铜、铟两靶溅射加真空硒化退火方法瑚；铜、铟电解 沉积加硒化退火方法。：气相沉积（）和分子束外延方法等汹，但最成功的 方法一直是铜、铟（镓）、硒三源蒸发方法，用该方法制各的电池的效率已经达到 了”】。与蒸发方法柏比，溅射方法在制各，薄膜上有很多优点，尤 其是在组分的控制上。溅射方法更能满足制备和双层结构的要 求：同时该方法还适合于大面积的生产，真空硒化退火方法则是近年来发展起来的有效硒化方法之一，它不但有设备简单、毒性小和易于大面积生产的特点，而 且结合溅射方法制备高

28、品质的，薄膜特别有效。由于，薄膜是三元 化合物，电池性能对原子配比及晶格匹配不当而产生的结构缺陷过于敏感因而严格控制制备，薄膜的工艺条件是要解决的主要问题。 课题来源及本文的主要工作一、课题来源 本文的工作正是在上述背景下进行。本课题是广东省“十五”重大科技专项，编号为：，课题名称为：高性能价格比多晶薄膜太阳电池 的研制。在太阳能电池领域，要提高电池的光电转换效率，降低电池的生产成本， 最基本且关键的问题是在材料的选择及制备方面，所以本文主要侧重于薄膜电池太阳能电池中薄膜的制备方面进行了研究和探讨。 二、本文的主要工作 本文的工作主要分为三部分：第一部分，对太阳能电池的华南理工大学硕士学位论文

29、种类及发展状况做了简单的介绍，主要介绍了太阳电池的发展前景及制备工 艺：第二是实验部分，对材料的制备及性能进行讨论分析，在实验中，本文 致力于对高质量的，薄膜的制备，详细分析了制各膜的工艺参数条件对 膜的性能影响，尝试了三种制备预制薄膜的方法讨论了溅射功率、硒 化退火温度和时间对制备，薄膜的影响：第三部分，是从理论上对电 池结构和异质结的性能进行分析，本文从电池的等效电路出发，讨论了电池的串连电阻、并联电阻对太阳能电池的短路电流、填充因子、转换效率的影响，从太阳能电池的结构出发，计算了电池的串连电阻，并设计了太阳能电池模 块的参数；同时讨论了，异质结的特性，给出了，异质结 的能带结构，讨论结果

30、表明可以简单利用改变，和两种半导体材料的 掺杂浓度来改变，异质结的能带结构，从而改变其相应的伏安特性， 咀便设计制造出最符合要求的能带结构和伏安特性的，异质结，从而 提高，太阳电池的效率。并对，异质结中开路电压与扩散长度 的关系进行了探讨，经过计算机模拟得出了它们之间的关系曲线。经过计算表明 保持载流子的扩散长度和空穴的扩散系数不变，改变电子的扩散系数，开路电压 基本不变；而随着空穴扩散系数的增大，开路电压逐渐减少。 本文共分为五章：第一章，绪论部分主要介绍了本论文的研究背景、研究的 目的和意义以及本文的主要工作：第二章，主要介绍了太阳能电池：多 晶薄膜的制各；第三章，对制得的薄膜进行测试及分

31、析；第四章，从理论上对 与组成的异质结的特性进行了分析；第五章，主要讨论了太阳能电池的性能指标。本章小结本章主要介绍了太阳能电池的种类与目前的发展状况，重点指出多晶薄 膜太阳能电池是世纪最有发展前途的光电池之一。介绍了多晶薄膜太阳能 电池的特点、目前的存在的问题以及本文的主要工作。第二章太阳能电池膜的制备第二章太阳能电池膜的制备 ：薄膜的主要制备方法年，利用单晶，研制出高效太阳能电池标志着光伏材料的崛起。但制备困难、材料昂贵，限制了单晶光伏材料的发展。年， 第一个多晶薄膜太阳能电池的诞生，真正激励了各国研究者。：体材料的制备方法体材料造价昂贵，不适于大规模生产。对该材料的研究主要集中在 晶体结

32、构、能带结构以及各类缺陷对材料光伏特性的影响，为提高薄膜光伏 性能打下扎实的理论基础。实际上，一般将：和它的扩展材料都统称为材料。单晶的主要制备方法有水平布里奇曼法、移动加热法、硒化液相合金法、溶液法和水平梯度区冷却法。 ：多晶薄膜的制备方法，（）材料是一种光伏特性优良的制作太阳电池的多晶薄膜材料。 其优越性体现在：首先，是一种直接带隙半导体材料，具有高达× 。的吸收系数：第二。，与能形成良好的晶格匹配，失配率只有从而减少了界面复合效应；第三，与的电子亲和势之差很小， 从而降低了光生载流子的势垒高度：第四，组成的异质结太阳电池 具有：电池不可比拟的稳定性。因而，材料成为光伏界人们竞相

33、研究的对象。 多晶薄膜的制备方法多种多样，大致可以归为三类： 的合金过程和 化分离：、一起合金化：，化合物的直接喷涂。主要的制备技术包括：真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷射热解等。下面主要介绍蒸镀、电沉积、磁控溅射制备 薄膜的工艺及研究进展。蒸镀法制薄膜蒸镀法制薄膜主要包括一步法和多步法。整个 过程概括而言就是尊元素金属或合金化合物的沉积以及后处理退火和硒化过程。 和、 “等均以一步蒸镀法制各了薄膜（包括华南理工大学硕士学位论义和。（；。，）。制膜过程首先是将一定配比的高纯、 、 元素在封闭的状态下加热生产化合物，然后再将以简单的热蒸发、电子 束

34、蒸发、闪蒸的技术制各薄膜。这一技术的缺点是不稳定，制备的薄膜成分易出现偏差。大量试验表明，蒸镀法制各薄膜的成分不仅和源物质的成 分有关，还受衬底温度、蒸发速率和退火温度影响。 多步法是将、三种元素以单质的形式沉积到底物上，然后再进行热 处理，获得所期望的化合物。制膜过程中，的成分主要由各层、的 厚度决定。等”做了大量研究工作，结果表明，薄膜中第二相的存在可能是影响光电性能的主要原因。 为改善多源蒸镀制各薄膜重复性差、难以控制等问题，常通过化合物源的使用或分步蒸镀技术将三源共蒸发改成两源或一源，降低了操作的难度。 等】通过控制蒸发速率、退火温度制备了薄膜，对薄膜电学性质、 不同制各工艺的反应机理

35、进行了探讨性研究。 虽然蒸镀法制备薄膜的工艺复杂、重复性较差，但利用该制各方法得到 的薄膜光电性能好。美国公司就是利用该技术成功制备出具有很高转换 效率（）的太阳能电池。 电沉积法制薄膜 电沉积技术分为两大类：步法；分步法。 一步法制备薄膜涉及各元素（、）的分别沉积，其中铜和硒的 电极电位远比铟的高。这样在沉积过程中，铟元素较难还原。通常通过调节溶液 值、电镀液中各元素的浓度，使三种元素的电极电位尽可能相近，以保证三元 素以接近分子式的化学计量比析出。最初电化学沉积薄膜采用恒电流法 】，后绝大多数是控制恒电位。 圳以、，和，为源物质，恒电势制备了薄膜，并 研究了氩气和硒气氛中后处理过程。试验结

36、果表明后处理对薄膜的晶型和形貌有 影响，其中硒气氛中后处理过程明显改善了薄膜的晶型，优于氨气中退火。 ”将改为 ，研究了： ： ：到：配比时的沉积情况，制备出接近化学计量比的薄膜。在电沉积薄 膜的研究中发现，薄膜的成分是影响材料光伏特性的关键因素。为控制溶液中各 化学物质的比例，通过添加络合剂，调节溶液中各离子的浓度。也有报 道在非水溶液（如己二胺、乙二醇、安基乙酸）中电沉积光电薄膜。 分步法电沉积薄膜过程为，先沉积合金膜，然后在：气氛中硒 化。等在的基础上进行硒化过程，研究了硒化过程的反应机理，认为反应过程有第二相、 优化，可得到近似化学计量比的薄膜。等生成。随着物质配比的第二章太阳能电池膜

37、的制备磁控溅射加硒化法制备薄膜前面已经介绍了常见的几种制备￥ 薄膜的方法。在这些方法中，成功的方法一直是铜、铟（镓）、硒三源蒸发方法。不过三源共蒸发法，由于投料大，成本高，均匀性差，难于控制，不适于作为电 池产业化的方法。与蒸发方法相比，溅射方法在制备薄膜上有很多优点，尤其是在组分的控制上，溅射方法更能满足制各和双层结构的要 求：同时该方法还适合于大面积的生产。真空硒化退火方法则是近年来发展起来 的有效硒化方法之一，它不但有设备简单、毒性小和易于大面积生产的特点，而 且结合溅射方法制备商品质的薄膜特别有效。同时依据现有的实验条件，本次实验我们采用磁控溅射和硒化法制各多晶薄膜。磁控溅射简介溅射原

38、理当用带几十电子伏以上动能的粒子或粒子束照射固体表面，靠近固体表面的原子会获得入射粒子所带能量的一部分进而在真空中放出，这种现象称为溅射。 由于离子易于在电磁场中加速或偏转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为 离子溅射。溅射现象广泛用于样品表面的刻蚀及表面镀膜等。 溅射镀膜指的是在真空室中里利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击的离子在基片上沉积的技术，实际上是利用溅射现象达到制取各种薄膜的目的。 溅射所用的离子可以由特制的离子源产生，这称为离子束溅射。一般来说，离子源较为复杂和昂贵，因此只是用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子 柬溅射。通常，溅射镀膜是利用低压惰性气体辉光放电来产生离子的。

39、溅射镀膜从工业生产角度来看，具有下述的特征：（）对靶的面积以及形状无限制，而且在大面积基片上也能获得分布均匀 的薄膜。 （）溅射速率由溅射产额和靶的轰击电流密度（和工作电流成正比）决定。 通过控制工作电流即可控制溅射速率，进而能方便的控制膜厚。（）靶的寿命长，溅射镀膜装置适合长时间运行和自动化，因此制作的膜 层稳定，重复性好。（）由于靶是固体蒸发源，所以基片和靶的相互位置可以自由选择，基片 可以在靶的上方，也可在靶的下方，二者也可竖直放置。 （）不采用毒性，腐蚀性和危险性的气体，操作维修容易，安全可靠。（）可以采用合金靶，复合靶，镶嵌靶等，用以制取满足成分的合金膜。 华南理工大学硕士学位论文（

40、）高熔点物质也能方便的制取。 （）电介质，绝缘材料也能方便的制取。 （）采用反应溅射法，可以较容易的由金属靶制取氧化物，碳化物和氮化 物等薄膜。（）溅射原予的运动能量大。因此膜层与基片的附着力良好。 （】）和其他的镀膜技术相比，可以在低温下制作致密的膜层。 由于溅射镀膜也属于非热平衡过程，因此也能制取一些自然界不存在的物质。磁控溅射的原理磁控溅射镀膜是利用低压惰性气体辉光放电来产生离子的，利用产生的荷能 离子轰击靶表面，使被轰击的离子在基片上沉积的一种技术。磁控溅射的特征沉积速率大，产量高 由于采用高速磁控电极，可以获得非常大的靶轰击电流，因此，靶表面的溅 射刻蚀速率和基片面上的膜沉积速率都提

41、高。和其他的溅射装置相比，磁控溅射 的生产能力大，产量高，因此便于工业应用和推广。 功率效率高 低能电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大的增加。相应的， 放电气体（或等离子体）的阻抗大幅度降低。结果，直流磁控溅射与直流二极溅 射相比，即使工作压力由一 降低到，溅射电压也同时 由几千伏降低到几百伏，溅射效率和沉积速率反而成数量级的增加。 为了更好的说明这一问题，利用溅射功率效率这一指标进行分析。靶的溅射速率 除以靶的功率密度，称为溅射的功率效率，单位是，这是比较溅 射效率的实际指标。由实验可知，对于大多数金属来说，离子能量为 时溅射功率最高，因为是溅射镀膜的最佳工艺参数。溅射功率效率的含义是：入 射功率贡献给溅射的份额。其它的份额则贡献给靶材发热，射线发射，二次电 子的发射等，这些能量消耗对溅射来说是可以看成是“无功的”，所以功率效率 越高，在同样的功率输入时，溅射效率越高。而磁控溅射的靶电压，一般在 一，典型值，正好处在功率效率最高的范围内，二极溅射靶的电压 为卜，处在功率效率下降的区域。也就是说。过高的入射离子能量只会使靶 过分加热而对溅射