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铜基太阳电池无镉缓冲层硫化锌的真空制备研究

铜基太阳电池无镉缓冲层硫化锌的真空制备研究

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作者：彭柳军云南师范大学

学位级别：硕士

铜基太阳电池是以含铜的黄铜矿结构化合物或其衍生物为吸收层的太阳电池，如以铜铟镓硒为吸收层的铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池。典型的铜基太阳电池通常在窗口层和吸收层间加一层硫化镉（CdS）缓冲层作为过渡层，但由于Cd有毒，且CdS... 详细信息

铜基太阳电池是以含铜的黄铜矿结构化合物或其衍生物为吸收层的太阳电池，如以铜铟镓硒为吸收层的铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池。典型的铜基太阳电池通常在窗口层和吸收层间加一层硫化镉（CdS）缓冲层作为过渡层，但由于Cd有毒，且CdS光学带隙窄不利于短波段太阳光透过到达吸收层。因此，探索无镉缓冲层成为了研究热点之一，其中II-VI族化合物ZnS、ZnO及其混合物因具有无毒、廉价和光学带隙宽等优点而成为研究重点。同时，高效CIGS太阳电池的缓冲层制备方法大都采用化学水浴法（CBD），与吸收层、窗口层等真空“干法”制备工艺不匹配，不利于流水线生产。因此，本文开展了无镉缓冲层ZnS和Zn(O, S)的真空“干法”制备研究。采用电子束蒸发在玻璃衬底上沉积硫化锌（ZnS）薄膜，采用磁控共溅射在玻璃衬底上沉积氧硫锌（Zn(O, S)）薄膜。采用X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外-可见-近红外分光光度计、霍尔测试仪、拉曼光谱测试仪等测试手段对ZnS、Zn(O, S)进行了结构和光电特性研究。通过系统分析衬底温度、溅射功率、溅射气压等工艺参数对薄膜的结构和光电特性的影响，获得了干法沉积ZnS、Zn(O, S)薄膜的优化工艺参数。本论文的主要研究结果如下：（1）电子束蒸发制备的ZnS薄膜为具有立方闪锌矿结构的多晶纳米薄膜。随着衬底温度的升高，制备的ZnS薄膜沿方向择优生长的特征越明显，衬底温度超过200℃后则呈相反的变化趋势;衬底温度为200℃时制备的ZnS薄膜的（111）晶面衍射峰最强，半高宽最小，晶粒尺寸最大;制备的ZnS薄膜在可见光范围的吸收率均小于10%。由于量子尺寸效应，电子束蒸发制备的ZnS薄膜光学带隙大于ZnS粉末的光学带隙。（2）采用双靶磁控共溅射制备Zn(O, S)混合物薄膜，当溅射ZnO靶的脉冲电源功率大于溅射ZnS靶的射频电源功率时，薄膜为六方纤锌矿结构的多晶纳米薄膜，具有c轴择优取向生长特征。拉曼光谱显示薄膜为二模混晶。薄膜在可见光范围的吸收率均低于5%。（3）溅射工艺参数：衬底温度、溅射功率和溅射气压等对Zn(O, S)薄膜的结构特征、表面形貌、光学和电学特征都有影响。通过优化溅射工艺参数可制备出与不同种类的铜基太阳电池吸收层相匹配的Zn(O, S)薄膜。（4）获得了优化的溅射工艺参数为：衬底温度200℃、溅射本底Ar气压0.1～0.5Pa、ZnO脉冲溅射功率为60W、ZnS射频溅射功率为20W。

关键词：铜基太阳电池 ZnS Zn(O,S) 无镉缓冲层电子束蒸发磁控共溅射

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