铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2,CIGS)薄膜太阳能电池具有稳定性好、光电转换效率高、弱光性能好等优点,因而日益受到人们的青睐。在工业化道路上,日本的Solar Frontier是全球CIGS太阳电池的最大供应商,到2015年其出货量已超过3 GW,平均量产效率可达13.8%;中国汉能公司近年来收购了德国Solibro和美国Miasole等CIGS太阳电池公司,走上了发展的快车道,2015年其装机容量达到400 MW,柔性组件达到100 MW,组件最高效率可达16.1%。因此,CIGS薄膜太阳能电池被认为是最具工业化发展前景的太阳能电池之一。2016年,CIGS薄膜太阳电池的实验室最高转换效率已经达到22.3%(日本Solar Frontier宣布取得),此外,已有多家研究机构报道其转化效率接近或超过了21%,包括瑞士EMPA、德国ZSW、德国Solibro等。CIGS薄膜太阳电池结构中的各功能层材料的制备和优化在电池效率的提升和不断突破方面具有十分重要的作用,其中CIGS薄膜光吸收层材料的制备工艺和后处理工艺的优化包括微量碱金属如钠(Na)、钾(K)元素的掺杂扮演了非常重要的角色。目前,高效率CIGS薄膜太阳电池的CIGS吸收层采用“三步法”共蒸发沉积工艺进行制备,可形成大晶粒和梯度带隙,有效减少材料内部缺陷,同时提高光生电流和开路电压。在三步法制备CIGS薄膜太阳电池方面,本研究发现Se源的蒸发温度对CIGS薄膜的材料特性及太阳电池的器件性能具有十分重要的影响和作用。实验结果表明,随着Se源加热温度(Se蒸发速率)的增大,薄膜的沉积厚度显著下降;XRF测试结果显示各组分中Cu的含量下降明显,In含量稍有上升,Se基本维持恒定;SEM结果显示当Se蒸汽压较低时,薄膜晶粒较大,这可能与高的Cu/(In+Ga)(即CGI)比例有关;Raman测试结果显示在高的Se蒸汽压下沉积的薄膜在波数为153 cm-1处出现了有序缺陷化合物(ordered defect compounds,ODC)的相。当Se源加热温度为160℃时,太阳电池开路电压(VOC)、填充因子(FF)和短路电流(JSC)都得到提高,取得了11.8%的高的电池光电转换效率。众所周知,微量的碱金属元素的掺杂能够显著改善CIGS薄膜太阳电池的光电性能。最简单有效的掺杂方法是直接用钠钙玻璃作为生长基底,玻璃中的碱金属(主要是Na)会在CIGS沉积过程中通过Mo层进入吸收层,提高薄膜的载流子浓度,增大晶粒尺寸并通过对缺陷的修饰减少复合。而目前针对于碱金属K的研究较少,其作用机理仍不明确。本论文采用后沉积工艺(post-deposition treatment,PDT),即在已制备好的CIGS光吸收层材料上蒸发沉积一定厚度的氟化钾(KF)或氟化钠(NaF)材料,然后通过后退火工艺使得一定量的碱金属元素K或者Na扩散进入CIGS吸收层材料的表层和内部,能够提高吸收层的载流子浓度,钝化材料内部及表面缺陷,可以有效地改善的吸收层材料的材料特性,进而提高器件开路电压和填充因子;但碱金属过量后又会对器件的光电性能产生严重的破坏作用。本工作通过调节KF源的蒸发温度、衬底温度和KF的蒸发时间,系统优化掺杂工艺和材料特性从而不断提高太阳电池器件性能。XRD、Raman测试结果表明K的掺杂并不能带来材料晶体结构的变化;SEM测试结果表明K掺杂影响CIGS薄膜表面形貌,并不会改变材料的深层结构。同时,C-V测试表明K掺杂能在一定程度上增加吸收层的载流子浓度,提高太阳电池的开路电压,另外,PDT工艺下的K掺杂对吸收层、缓冲层界面会有一定的破坏作用,使之串联电阻上升,漏电流增加,填充因子下降。对吸收层进行微量的碱金属掺杂和表面处理,已成为进一步提升CIGS薄膜电池效率的有效技术途径。尽管如此,碱金属对吸收层的影响机制还不明确,对器件性能的改善机理仍需讨论。通过优化PDT工艺在CIGS光吸收层材料中掺入K元素,从而有效改善了CIGS材料的表面和内部材料特性,提高太阳电池的性能,并获得了14.3%的最高光电效率,相比于13%的参考电池效率提高了10%。