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铜基Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳能电池因其转换效率高、制备成本低以及抗辐射能力强等诸多优势在光伏领域备受瞩目,目前企业大规模生产多采用成本较低的溅射法制备CIGS太阳能电池。本文对溅射法制备的CIGS太阳能电池的光电转换性能、复合机制、体内电子缺陷态的分布以及均匀性展开了研究,并利用热处理工艺以及叠加Er掺杂Zn O(Er:Zn O)下转换功能薄膜调制入射光谱这两种方式对CIGS器件性能进行改性。研究方法与结果如下:(一)两步溅射法制备的CIGS薄膜为(112)晶面择优取向的黄铜矿结构,形成多层薄膜电池后层与层之间的界限模糊,界面处发生了元素的互扩散现象。X-射线衍射谱表明Cd S/CIGS界面处的扩散形成了Cd InxSey化合物。0.46 cm2小面积电池的转换效率为12.2%,电池效率的均匀性在1 cm2范围内,当电池的面积超过1 cm2,电池的效率就会下降。(二)利用光致发光和电致发光法测试CIGS器件内电子的辐射跃迁所发射的光子信号,并结合电容-电压法分析CIGS电池内的复合机制与电子缺陷态的分布。CIGS太阳能电池内包含三种复合机制:CIGS薄膜内的电子缺陷态复合、空间电荷区的隧穿辅助复合和Cd S/CIGS界面电子缺陷态复合。变温光致发光谱和电致发光谱表明:CIGS薄膜中存在InCu、(InCu+VCu)“缺陷对”和VSe这三种缺陷。InCu和(InCu+VCu)两类深能级缺陷室温下会成为无辐射复合中心,对器件的光电性能产生负面影响。(InCu+VCu)和VSe两类缺陷在正向偏压下会为电子隧穿提供通道增强空间电荷区的复合。电容-电压数据分析表明Cd S/CIGS界面缺陷的密度为2.2×1013 cm-2。(三)发光强度公式推导表明:激发方式不同,在CIGS薄膜电池体内产生的非平衡载流子的纵向分布区域不同,光谱测量系统所观察到的复合的区域也不同,结合光致发光和电致发光可以分析CIGS的复合机制以及电子缺陷态的纵向分布。激光光源激发样品,载流子分布于“激光穿透区”和“载流子扩散区”这两个区域,非平衡载流子分布的区域较宽,探测到的光谱主要是来自于薄膜体内的复合信息。正向偏压激发下,CIGS电池中的电子从Zn O薄膜导带注入CIGS薄膜导带,非平衡载流子聚集于Cd S/CIGS界面附近一个很窄的区域,观测到的光谱受界面复合影响很大。同时,AFORS-HET软件模拟的结果表明:CIGS薄膜体内的缺陷复合对短路电流的影响大于开路电压,而Cd S/CIGS界面复合对器件开路电压的影响大于短路电流。(四)结合器件的光电参数测量,对光或电激发的CIGS电池的发光光谱进行二维扫描,分析溅射法制备的CIGS电池内电子缺陷态的三维均匀性。整体而言,溅射法制备的大片CIGS电池中心区域的光电性能和均匀性都明显优于边缘区域。中心区域CIGS薄膜均匀性较好,Cd S/CIGS界面缺陷态的均匀性略差,因此不同CIGS电池之间的短路电流和光致发光谱的差异很小,开路电压和电致发光光谱差异较大。而边缘区域电池的CIGS薄膜和Cd S/CIGS界面处电子缺陷态的不均匀程度都较大,因此探测到不同电池的发光光谱和光电参数的之间差异都相当大。(五)对CIGS电池进行快速热退火优化处理,其结果表明400°C氮气氛围下将CIGS电池退火30 s可以将电池效率提高43%。器件性能的提升源于CIGS薄膜内缺陷的降低以及Cd S/CIGS界面处缺陷态密度的减少。这些缺陷的降低减少了器件内的复合、漏电以及寄生电阻损耗,使得电池的短路电流、开路电压和填充因子都大幅度提高。退火温度达到500°C,器件完全被破坏,所有的光电参数都大幅度衰减。(六)利用磁控溅射方法制备具有光子转换功能的Er:Zn O薄膜,然后叠加在CIGS太阳能电池表面调制入射到电池内的太阳光谱,提高光子的利用率,增大器件的短路电流。室温下Er:Zn O薄膜的最佳溅射功率和工作气压为140 W和1.5 Pa,优化CIGS电池的最佳薄膜厚度为184 nm。优化后,CIGS器件在500~700nm范围内的光谱响应增强,器件的短路电流提高了10%。