论文部分内容阅读
进入21世纪以来,全球范围内能源和环境问题日益突出。太阳能具有取之不尽、用之不竭并且属于清洁能源等优点,成为解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。薄膜太阳能电池兼具Si基太阳能电池高转换效率及成本较低的优点,其中,铜铟硒(CuInSe2, CIS)由于具有能够调整光学能隙、吸收率高(~6×105/cm)、抗辐射能力强和长期的稳定性等特点,被认为最有希望的薄膜太阳能电池材料之一。本文对CIS薄膜太阳能电池中有关薄膜材料的几个基础问题进行研究,研究内容主要包括实验和理论计算两个部分。实验部分研究了电沉积法和溅射Cu-In合金层硒化法制备CIS薄膜,并对这两种制备方法的关键工艺参数对CIS薄膜的性能影响进行了分析。研究了电沉积法的工作机理和工艺参数对CIS薄膜性能的控制规律,以及后续的真空退火处理对电沉积CIS薄膜的结晶性、表面形貌和薄膜成分的改善作用;研究了硒化温度对溅射Cu-In合金层硒化法制备CIS薄膜的工艺的影响,揭示了硒化过程中成分和物相的变化以及薄膜表面和截面形貌的变迁,提出了硒化过程中CIS薄膜生长的三个阶段;在反应溅射的MoNx薄膜基底上生长了强择优取向的CIS薄膜,并对择优取向的形成原因进行了分析。理论计算部分用第一性原理计算方法对CIS中的一些基础物理问题进行了研究。研究了CIS结构变形和同族元素取代对电子结构的影响,用化学键长的变化解释了能带结构的变化,并提示了CIS的结构参数和能隙随着同族元素取代量的变化规律;研究了CIS中的本征和非本征缺陷物理,对于黄铜矿相和CuAu结构的CIS,首次提出了有序缺陷化合物CuIn5Se8的两种稳定晶型,计算了CIS中本征和非本征缺陷的形成能随化学势和费米能级的变化规律,并对Na+掺杂所引入缺陷的作用机制进行了解释;对CIS与II-VI族化合物所形成的异质结的能带排列进行了计算,确定导带偏差ΔEc和价带偏差ΔEv对寻找CdS缓冲层的替代材料有重要指导意义。本文的研究结果对推进CIS薄膜太阳能电池的大规模应用具有积极的意义。