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低温超薄高效Cu(In, Ga)Se2太阳电池的实现

韩安军 孙云 李志国 李博研 何静靖 张毅 刘玮

低温超薄高效Cu(In, Ga)Se2太阳电池的实现

韩安军, 孙云, 李志国, 李博研, 何静靖, 张毅, 刘玮
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  • 衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In0.7Ga0.3)Se2 (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In0.7Ga0.3)Se2相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In0.5Ga0.5)Se2以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度JSC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度Tsub低于300 ℃时, 开路电压VOC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. Tsub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%.
    • 基金项目: 国家高技术研究发展计划(批准号:2004AA513020)、国家自然科学基金(批准号:60906033,50902074,90922037,61076061)和天津市自然科学基金(批准号:11JCYBJC01200)资助的课题.
    [1]

    Jackson P, Hariskos D, Lotter E, Paetel S, Wuerz R, Menner R, Wischmann W, Powalla M 2011 Prog. Photovolt: Res. Appl. 19 894

    [2]

    Han S H, Hermann A M, Hasoon F S, Al-Thani H A, Levi D H 2004 Appl. Phys. Lett. 85 576

    [3]

    Powalla M, Dimmler B 2000 Thin Solid Films 361-362 540

    [4]

    Han A J, Zhang Y, Song W, Li B Y, Liu W, Sun Y 2012 Semicond. Sci. Technol. 27 035022

    [5]

    Gloeckler M, Sites J R 2005 J. Appl. Phys. 98 103703

    [6]

    Edoff M, Schleussner S, Wallin E, Lundberg O 2011 Thin Solid Films 519 7530

    [7]

    Zhang L, Liu F F, Li F Y, He Q, Li B Z, Li C J 2012 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 99 356

    [8]

    Caballero R, Kaufmann C A, Eisenbarth T, Cancela M, Hesse R, Unold T, Eicke A, Klenk R, Schock H W 2009 Thin Solid Films 517 2187

    [9]

    Zhang L, He Q, Jiang W L, Li C J, Sun Y 2008 Chin. Phys. Lett. 25 734

    [10]

    Schöldström J, Kessler J, Edoff M 2005 Thin Solid Films 480-481 61

    [11]

    Ao J P, Yang L, Yan L, Sun G Z, He Q, Zhou Z Q, Sun Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1870 (in Chinese) [敖建平, 杨亮, 闫礼, 孙国忠, 何青, 周志强, 孙 云2009物理学报 58 1870]

    [12]

    Djessas K, Yapi S, Massé G, Ibannain M, Gauffier J L 2004 J. Appl. Phys. 95 4111

    [13]

    Gabor A M, Tuttle J R, Bode M H, Franz A, Tennant A L, Contreras M A, Noufi R, Jensen D G, Hermann A M 1996 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 41/42 247

    [14]

    Schleussner S M, Törndah T, Linnarsson M, Zimmermann U, Wätjen T, Edoff M 2012 Prog. Photovolt: Res. Appl. 20 284

    [15]

    Otte K, Lippold G, Hirsch D, Schindler A, Bigl F 2000 Thin Solid Films 361-362 498

    [16]

    Roy S, Guha P, Kundu S N, Hanzawa H, Chaudhuri S, Pal A K 2002 Mater. Chem. Phys. 73 24

    [17]

    Zhang Y W, Bi D W, Gong X N, Bian H, Wan L, Tang D S 2011 Sci. China: Phys. Mech. Astron. 41 845 (in Chinese) [张有为, 毕大炜, 公祥南, 边惠, 万里, 唐东升 2011中国科学: 物理学 力学 天文学 41 845]

    [18]

    Han A J, Zhang Y, Li B Y, Liu W, Sun Y 2012 Appl. Surf. Sci. 258 9747

    [19]

    Li W, Sun Y, Liu W, Li F Y, Zhou L 2006 Chin. Phys. 15 878

    [20]

    Han A J, Zhang J J, Li L N, Zhang H, Liu C C, Geng X H, Zhao Y 2011 Acta Energiae Sol. Sin. 5 698 (in Chinese) [韩安军, 张建军, 李林娜, 张洪, 刘彩池, 耿新华, 赵颖 2011太阳能学报 5 698]

  • [1]

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    [2]

    Han S H, Hermann A M, Hasoon F S, Al-Thani H A, Levi D H 2004 Appl. Phys. Lett. 85 576

    [3]

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    [4]

    Han A J, Zhang Y, Song W, Li B Y, Liu W, Sun Y 2012 Semicond. Sci. Technol. 27 035022

    [5]

    Gloeckler M, Sites J R 2005 J. Appl. Phys. 98 103703

    [6]

    Edoff M, Schleussner S, Wallin E, Lundberg O 2011 Thin Solid Films 519 7530

    [7]

    Zhang L, Liu F F, Li F Y, He Q, Li B Z, Li C J 2012 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 99 356

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    Ao J P, Yang L, Yan L, Sun G Z, He Q, Zhou Z Q, Sun Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 1870 (in Chinese) [敖建平, 杨亮, 闫礼, 孙国忠, 何青, 周志强, 孙 云2009物理学报 58 1870]

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    [14]

    Schleussner S M, Törndah T, Linnarsson M, Zimmermann U, Wätjen T, Edoff M 2012 Prog. Photovolt: Res. Appl. 20 284

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  • [1] 白立沙, 李天天, 刘伯飞, 黄茜, 李宝璋, 张德坤, 孙建, 魏长春, 赵颖, 张晓丹. 超薄高速率单结微晶硅薄膜电池及其叠层电池. 物理学报, 2015, 64(22): 228801. doi: 10.7498/aps.64.228801
    [2] 王林申, 赵敬芳, 隋妍萍, 张德贤, 蔡宏琨, 陶科. 柔性衬底非晶硅薄膜太阳电池界面处理的研究. 物理学报, 2009, 58(11): 7921-7925. doi: 10.7498/aps.58.7921
    [3] 张翅, 陈新亮, 王斐, 闫聪博, 黄茜, 赵颖, 张晓丹, 耿新华. 衬底温度对反应磁控溅射W掺杂ZnO薄膜的微观结构及光电性能的影响. 物理学报, 2012, 61(23): 238101. doi: 10.7498/aps.61.238101
    [4] 吴小丽, 陈长乐, 韩立安, 罗炳成, 高国棉, 朱建华. 衬底温度对PLD法生长的Mg0.05Zn0.95O薄膜结构和发光特性的影响. 物理学报, 2008, 57(6): 3735-3739. doi: 10.7498/aps.57.3735
    [5] 杨仕娥, 文黎巍, 陈永生, 汪昌州, 谷锦华, 郜小勇, 卢景霄. 衬底温度和硼掺杂对p型氢化微晶硅薄膜结构和电学特性的影响. 物理学报, 2008, 57(8): 5176-5181. doi: 10.7498/aps.57.5176
    [6] 曾隆月, 戴松元, 王孔嘉, 孔凡太, 胡林华, 潘 旭, 史成武. 染料敏化纳米ZnO薄膜太阳电池机理初探. 物理学报, 2005, 54(1): 53-57. doi: 10.7498/aps.54.53
    [7] 徐炜炜, 戴松元, 方霞琴, 胡林华, 孔凡太, 潘 旭, 王孔嘉. 电沉积处理与染料敏化纳米薄膜太阳电池的优化. 物理学报, 2005, 54(12): 5943-5948. doi: 10.7498/aps.54.5943
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    [9] 郑雪, 余学功, 杨德仁. -Si:H/SiNx叠层薄膜对晶体硅太阳电池的钝化. 物理学报, 2013, 62(19): 198801. doi: 10.7498/aps.62.198801
    [10] 丁东, 杨仕娥, 陈永生, 郜小勇, 谷锦华, 卢景霄. Al纳米颗粒增强微晶硅薄膜太阳电池光吸收的模拟研究. 物理学报, 2015, 64(24): 248801. doi: 10.7498/aps.64.248801
    [11] 耿超, 郑义, 张永哲, 严辉. 硅薄膜太阳电池表面纳米线阵列光学设计. 物理学报, 2016, 65(7): 070201. doi: 10.7498/aps.65.070201
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-07-27
  • 修回日期:  2012-09-25
  • 刊出日期:  2013-02-20

低温超薄高效Cu(In, Ga)Se2太阳电池的实现

  • 1. 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所, 光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室, 光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津 300071
    基金项目: 

    国家高技术研究发展计划(批准号:2004AA513020)、国家自然科学基金(批准号:60906033,50902074,90922037,61076061)和天津市自然科学基金(批准号:11JCYBJC01200)资助的课题.

摘要: 衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In0.7Ga0.3)Se2 (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In0.7Ga0.3)Se2相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In0.5Ga0.5)Se2以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度JSC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度Tsub低于300 ℃时, 开路电压VOC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. Tsub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%.

English Abstract

参考文献 (20)

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