脉冲激光沉积法制备CIGS双梯度带隙吸收层及其特性研究.docxVIP

脉冲激光沉积法制备CIGS双梯度带隙吸收层及其特性研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严峻，开发清洁、可再生的能源已成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在众多可再生能源中占据着重要地位。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键装置，其性能和成本直接影响着太阳能的广泛应用。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池以其高转换效率、良好的稳定性和低制造成本等优势，被国际上视为下一代极具前途的廉价太阳电池之一，有望成为未来光伏电池的主流产品。CIGS是一种四元化合物半导体薄膜，其光学带隙可依据不同的Ga/（In+Ga）比在1.04eV-1.67eV之间连续调节。这种独特的性质使得人们能够设计出双梯度带隙结构，通过精确控制膜内Ga/（In+Ga）比在纵深方向的分布，可在膜内形成一个指向背电极的自建电场。

该自建电场能够促使载流子产生漂移运动，显著增强载流子的输运能力，使载流子更容易被背电极收集，从而增加光电流，减少背表面复合等，最终有效提高电池的效率。在提高电池效率方面，双梯度带隙吸收层通过优化载流子的收集和传输过程，能够使电池更充分地利用太阳能，从而提升电池的光电转换效率，这对于降低光伏发电成本、提高太阳能在能源市场中的竞争力具有重要意义。从降低成本角度来看，高效率意味着在相同发电需求下，可以减少电池的使用数量和面积，进而降低了材料成本和系统成本。此外，更高效的电池也有助于提高太阳能发电系统的整体经济效益，加速太阳能的大规模应用。

1.2国内外研究现状

在国外，对CIGS双梯度带隙吸收层的研究开展较早且深入。美国可再生能源实验室（NREL）在CIGS薄膜太阳电池研究方面处于世界领先地位，在双梯度带隙结构的设计与制备工艺上取得了诸多成果，通过先进的共蒸发技术，精确控制Ga元素的分布，实现了高效的双梯度带隙CIGS电池，小面积电池效率达到了较高水平。德国的一些研究机构如亥姆霍兹柏林材料与能源中心等，致力于探索新型的制备工艺和材料优化方法，以改善双梯度带隙吸收层的性能稳定性和均匀性。

国内在这一领域的研究也取得了显著进展。众多科研院校如清华大学、南开大学等积极开展相关研究工作。清华大学通过对溅射工艺和退火条件的优化，成功制备出具有良好双梯度带隙结构的CIGS吸收层，提高了电池的开路电压和填充因子；南开大学则在溶液法制备CIGS双梯度带隙吸收层方面进行了深入探索，降低了制备成本，同时保持了较好的电池性能。

尽管国内外在CIGS双梯度带隙吸收层的研究方面取得了一定成果，但仍面临一些挑战和不足。一方面，精确控制膜内Ga/（In+Ga）比例的工艺仍有待完善，目前的制备方法存在工艺复杂、成本较高以及均匀性和稳定性难以保证等问题。例如，三步共蒸发法虽然能够较好地控制Ga元素在吸收层中的带隙分布，但工艺过程极为复杂，制备过程中成分极易挥发，造成四元成分控制困难，工艺均匀性和稳定性较差；预制膜硒化退火工艺虽然工艺相对简单，四元成分控制容易，但在高温退火时，表面极易生成CuInSe?，导致表层Ga含量急剧下降，无法形成理想的双梯度带隙结构。另一方面，对于双梯度带隙结构的形成机理和载流子输运机制的研究还不够深入，这限制了进一步优化电池性能的能力。此外，如何将实验室的研究成果有效地转化为大规模的产业化生产，也是当前面临的一个重要问题。

1.3研究内容与方法

本文主要围绕CIGS双梯度带隙吸收层的制备及特性展开研究，具体内容包括：通过对不同制备方法的研究，如脉冲激光沉积（PLD）、溅射等，探索适合制备CIGS双梯度带隙吸收层的工艺条件，分析各制备方法对吸收层结构和成分的影响；深入研究CIGS双梯度带隙吸收层的特性，包括光学特性、电学特性以及结构特性等，分析带隙结构与这些特性之间的关系；通过优化制备工艺和调整材料成分，提高CIGS双梯度带隙吸收层的性能，进而提升太阳能电池的整体效率。

在实验方法上，采用脉冲激光沉积法时，利用中科院科学仪器厂生产的PLD-450型脉冲激光溅射仪，腔室内装有多个独立靶位，搭配美国相干公司生产的COMPexPro201脉冲准分子激光器，选择高纯的CuIn???Ga?Se?靶材（如CuIn?.?Ga?.?Se?、CuIn?.?Ga?.?Se?、CuIn?.?Ga?.?Se?等）。将CIGS靶材和钠钙玻璃衬底固定在相应样品架上，精确控制衬底和CIGS靶材的距离、衬底温度、系统真空度、激光器工作模式、激光能量和频率等参数。每次更换靶材后，用挡板挡住衬底，先溅射一定数量的脉冲以去除靶材表面氧化层和杂质，然后打开挡板正式开始溅射，通过精确调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度。制备