脈沖電沉積制備CuInSe2-CuIn(Se,S)2薄膜及其組分和結(jié)構(gòu)的調(diào)控.pdf

1、太陽能電池是把太陽能轉(zhuǎn)換成電能從而徹底解決能源危機和環(huán)境污染的一種重要手段。在眾多的太陽能電池中,CuInSe2(CIS)系薄膜太陽能電池因具有優(yōu)異的光電性能,高的轉(zhuǎn)換效率等諸多優(yōu)點,被光伏研究者公認為是最具大規(guī)模工業(yè)化應用前景的太陽能電池之一。電沉積技術(shù)由于具有設備簡單、成本低廉、可大面積連續(xù)沉積等優(yōu)點而引起了光伏研究者極大的興趣。在以往的研究中,直流恒電位模式作為電沉積CIS吸收層的主要制備技術(shù)得到了廣泛的研究。但是由于只有一個參數(shù)

2、(沉積電位)可調(diào),對薄膜生長過程控制有限致使所得CIS薄膜的化學組分難以得到有效的調(diào)控,且薄膜在后續(xù)退火處理過程中容易產(chǎn)生Cu-Se之類的雜項,這些都在很大程度上降低了CIS電池的光電轉(zhuǎn)換效率。通過設計適當?shù)某练e體系,將脈沖模式與恒電流沉積模式的優(yōu)勢結(jié)合起來,不僅可以利用脈沖沉積的優(yōu)勢降低溶液的濃差極化,改善CIS薄膜的微觀形貌,增強薄膜與基底的結(jié)合力,而且還可以利用恒電流模式的優(yōu)勢有效地調(diào)控薄膜的化學計量比,獲得大面積均勻致密的薄膜。

3、此外,為了提高CIS電池的光電轉(zhuǎn)換效率,進一步降低電池的成本,我們通過對一步電沉積制備的CIS薄膜進行硒化/硫化處理來獲得具有S元素梯度摻雜的CuIn(Se,S)2吸收層,該電池的最高轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)達到21.3％。
　　基于上述考慮,本文引入脈沖電源以恒電流的模式開展CIS薄膜的制備研究,通過探索最佳工藝條件,揭示薄膜的成核及生長機制,來實現(xiàn)對薄膜組分、形貌、晶型及與基底的結(jié)合力的控制,從而發(fā)展CIS材料形貌、結(jié)構(gòu)、組分調(diào)控的新

4、方法和新途徑。在此基礎之上,通過控制硫化條件探索可實用化、低成本、高效率的CuIn(Se,S)2吸收層的制備技術(shù)。具體工作內(nèi)容主要有以下三部分:
　　(1)恒電流脈沖電沉積制備CuInSe2(CIS)薄膜及其組分和結(jié)構(gòu)的調(diào)控。
　　采用脈沖電源以恒電流模式在FTO基底沉積了CuInSe2薄膜,通過優(yōu)化脈沖參數(shù)制備了具有標準化學計量比且大面積均勻致密的CuInSe2薄膜,詳細研究了脈沖參數(shù)對薄膜組分、結(jié)構(gòu)和形貌的影響。結(jié)果表明

5、通過調(diào)控沉積電流可以線性調(diào)控CuInSe2薄膜的化學計量比。合適的脈沖諧振頻率可以抑制CuInSe2薄膜中Cu-Se相的產(chǎn)生,增強薄膜的光學吸收特性和表面光生電子空穴分離的能力。
　　(2)CuInSe2的成核、生長過程及電沉積機制的研究。
　　研究表明CuInSe2的生長和電沉積過程經(jīng)歷了以下幾個階段:首先,Se4+被還原成Se0,Se0占據(jù)FTO表面的大量成核位點。隨后,Cu2+開始沉積并與Se0反應形成Cu2-xSe核

6、。最后,In3+開始沉積,與Cu2-xSe作用形成CuInSe2核。值得一提的是,以往文獻中報道電沉積CuInSe2的最初沉積階段是Cu2+首先被還原成Cu0,后經(jīng)Cu2-xSe形成CuInSe2。在本章中,由于檸檬酸根離子對Cu2+的絡合使得在最初的成核階段Se4+首先被還原成Se0占據(jù)陰極表面,這一結(jié)果為電沉積制備CIS薄膜提供一種新的視角。
　　(3)梯度組分CuIn(Se,S)2(CISS)薄膜的電沉積制備及其表征。

7、>　　通過控制硫化溫度和Cu/In比在FTO基底上制備了具有S元素梯度分布的CuIn(S,Se)2吸收層薄膜,整個過程包括一步脈沖電沉積制備CuInSe2薄膜和硒化/硫化處理。研究結(jié)果表明硫化溫度和軀體薄膜中的Cu/In比對制備S元素梯度分布的CuIn(S,Se)2薄膜具有很大的影響。當硫化硫化溫度從250℃增加到550℃時,薄膜中S的摻雜量增加,薄膜的光學帶隙從1.02 eV增加到了1.67 eV。XRD結(jié)果表明CuIn(S,Se)2