铜铟铝硒（CIAS）与CdS、ZnS薄膜光伏材料的研究

【摘要】：目前环境保护、节能减排已经成为世界各国的基本国策。本论文选题为研究铜铟硒类太阳能电池吸收层和缓冲层材料等新型光伏材料对发展新材料、新能源,贯彻可持续发展战略有重要意义。论文工作中用物理气相沉积和化学水浴法分别制备了太阳能电池吸收层CIAS薄膜,缓冲层CdS和ZnS薄膜,运用微观分析和表面分析手段(XRD、TEM、 SEM、EDS及XPS等)对薄膜的形貌、结构、成分以及光电性能进行检测分析。 采用真空蒸发多层膜(VEMF)法将Cu、In、Al三种金属分别蒸镀到玻璃基底上形成CIA预制层。中频孪生非平衡磁控溅射(FTUMS)技术用Cu靶和自行研制的In-Al复合靶制备CIA预制层。再采用固态源硒化法形成CIAS薄膜。研究了不同硒化工艺对CIAS薄膜的表面形貌、结构、成分和光电性能的影响,以及Al相对含量对CIAS薄膜性能的影响。结果表明：常温下制备的CIA预制层薄膜,结构为非晶态；硒化后形成CIAS化合物薄膜,主相为黄铜矿结构,也存在非晶或微晶结构,说明用A1代替In是可行的。检测了其电阻率在半导体材料范围内,Al含量可调节CIAS薄膜的禁带宽度(1.60-1.95eV)。从成膜一般规律与制备过程探讨了VEMF与IFTUMS两种方法制备薄膜的成膜过程与机理。 采用化学水浴法(CBD)制备了CdS和ZnS薄膜。研究不同工艺条件对薄膜性能的影响,运用场发射TEM和XPS等检测手段研究了退火前后厚度为100nm的CdS和ZnS薄膜的性能。结果表明：CdS和ZnS薄膜均为非晶或微晶且出现立方相晶粒；当波长大于550nm时,其光透射率超过70%,带隙接近理论值。TEM暗场像分别观察到CdS薄膜AA和ZnS薄膜BB晶面取向的晶粒(尺寸20-100nm)。退火前CdS和ZnS薄膜的原子比约为1：1,退火后的CdS和ZnS薄膜都有S元素缺失。获得制备CdS和ZnS薄膜的最佳工艺参数。进而从CBD法的成膜原理讨论了CdS和ZnS薄膜的成膜过程。 【关键词】：太阳能电池 真空蒸发多层膜法(VEMF) 中频孪生非平衡磁控溅射法(IFTUMS) 化学水浴(CBD) CIAS薄膜 CdS薄膜 ZnS薄膜
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-23
• 1.1 太阳能电池概述9-11
• 1.2 CIS类太阳能电池的发展11-15
• 1.2.1 CIS类太阳能电池的发展11-12
• 1.2.2 CIS类太阳能电池的构成12-15
• 1.3 CIS类薄膜太阳能电池的吸收层与缓冲层材料15-21
• 1.3.1 CIS类薄膜材料15-19
• 1.3.2 CdS薄膜材料19-20
• 1.3.3 ZnS薄膜材料20-21
• 1.4 本论文研究的主要内容及意义21-23
• 1.4.1 问题的提出21
• 1.4.2 本论文研究的主要内容及意义21-23
• 第二章 材料制备及表征23-43
• 2.1 样品制备23-38
• 2.1.1 VEMF法制备CIAS吸收层薄膜23-26
• 2.1.2 IFTUMS技术制备CIAS吸收层薄膜26-31
• 2.1.3 CBD法制备CdS缓冲层薄膜31-35
• 2.1.4 CBD法制备ZnS缓冲层薄膜35-37
• 2.1.5 场发射TEM薄膜样品的制备37-38
• 2.2 样品表征38-43
• 2.2.1 检测薄膜厚度38-39
• 2.2.2 SEM薄膜表面形貌及成分分析39
• 2.2.3 薄膜物相分析39-40
• 2.2.4 TEM选区成像、衍射、衍衬及成分分析40
• 2.2.5 薄膜的XPS分析40-41
• 2.2.6 检测薄膜的光电性能41-43
• 第三章 铜铟铝硒(CIAS)薄膜研究结果及讨论43-72
• 3.1 VEMF法及后硒化技术制备CIAS薄膜的研究43-52
• 3.1.1 CIAS薄膜硒化前后性能分析43-47
• 3.1.2 Al的相对含量对CIAS薄膜性能的影响47-51
• 小结51-52
• 3.2 IFTUMS技术制备CIAS薄膜性能的研究结果及分析52-62
• 3.2.1 薄膜硒化前(CIA)后(CIAS)性能分析52-58
• 3.2.2 Al的相对含量对CIAS薄膜性能的影响58-62
• 小结62
• 3.3 PVE法薄膜的成膜过程及机理讨论62-71
• 3.3.1 VEMF法制备CIAS薄膜的过程及成膜机理讨论62-68
• 3.3.3 IFTUMS技术制备CIAS薄膜的过程及成膜机理讨论68-71
• 本章小结71-72
• 第四章 缓冲层CdS、ZnS薄膜性能的研究结果及讨论72-122
• 4.1 CdS薄膜性能的研究结果及分析72-94
• 4.1.1 CdS薄膜TEM与XPS分析72-77
• 4.1.2 CdS薄膜工艺过程对性能的影响77-93
• 小结93-94
• 4.2 ZnS薄膜性能的研究结果与分析94-116
• 4.2.1 ZnS薄膜TEM与XPS分析94-100
• 4.2.2 ZnS薄膜工艺过程对性能的影响100-116
• 小结116
• 4.3 CBD法薄膜的成膜过程及机理讨论116-120
• 4.3.1 化学水浴反应原理116-118
• 4.3.2 CdS薄膜成膜过程及机理讨论118-119
• 4.3.3 ZnS薄膜成膜过程及机理讨论119-120
• 本章小结120-122
• 结论122-124
• 创新点摘要124-125
• 展望125-126
• 参考文献126-131
• 致谢131-132
• 攻读博士学位期间发表的学术论文132-133

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