电沉积制备CuInSe2和Cu(In,Ga)Se2薄膜及性能表征

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寻找可再生、廉价、清洁新能源已成为当前人类面临的迫切课题。其中,太阳能是一种清洁、安全、环保可再生能源。由于CuInSe2(简称为CIS)是一种直接带隙材料,光吸收系数高达105数量级,是目前已知的光吸收性最好的半导体薄膜材料,光电转换效率高,使得CIS薄膜太阳电池成为当今光伏领域的研究热点。太阳光的吸收要求材料的最佳带隙在1.45eV左右,不过CuInSe2的带隙为1.04eV。为了提高材料的带隙宽度,通常在CuInSe2中掺入一定比例的Ga,制成Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)吸收层,能大大提高太阳能电池的转换效率。 本文以氯化铜,三氯化铟,三氯化镓、亚硒酸和络合剂柠檬酸钠的水溶液为电解液,在镀Mo薄膜的钠钙玻璃衬底上采用恒电位电沉积方法制备出太阳能电池薄膜材料CIS和CIGS薄膜。对制备的薄膜进行热处理以提高薄膜的化学计量比。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、扫描电镜自带能谱仪(EDS)以及Van der Pauw方法对制备的薄膜的各种性能进行表征。 首先采用磁控溅射方法制备了Mo薄膜衬底,制备的薄膜具有较小的电阻率,良好的结合力,表面平滑,结构致密,符合太阳能电池的欧姆接触要求。 然后对CIS薄膜的电沉积制各及其影响因素进行了研究分析与讨论。结果表明利用电沉积方法可以制备出黄铜矿结构的CIS薄膜,所制备的薄膜经过硒化退火后结晶性能变好。所制备的CIS薄膜当Cu/In<1时,导电类型为n型,当Cu/In>1时,所制备的CIS薄膜的导电类型为p型。硒化退火后薄膜具有较小的电阻率,而且具有较高的迁移率和载流子浓度。光学性能表明在室温下的光学禁带宽度Eg在1.04~1.14eV之间,光吸收系数达到4.3×104cm-1。 最后对CIGS薄膜的电沉积制备及其影响因素进行分析与讨论。结果表明利用电沉积方法成功地制备出了黄铜矿结构的CIGS多晶薄膜。随着柠檬酸钠浓度的增大,CIGS薄膜的结晶程度变好。当热处理温度为550℃时可以获得结晶性能较好的CIGS薄膜。当Cu/(In+Ga)≥1时,所制备的薄膜导电类型为p型反之为n型,薄膜具有较小的电阻率和较高的迁移率和载流子浓度。随着Cu/(In+Ga)的减小,电阻率逐渐增大,n型导电性增强。制备的CIGS多晶薄膜在室温下的光学禁带宽度Eg为1.43~1.50eV左右,光吸收系数达到4.6×104cm-1
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