柔性銅銦鎵硒薄膜太陽電池的制備及性能表征研究

趙岳

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津，300380）

1 銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池特性概述

CuInSe2屬于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物[1]。CuInSe2本身晶體結構屬于黃銅礦，類似于Ⅱ-Ⅵ族化合物的閃鋅礦晶體，基于其本身晶體結構的特性，銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池，能夠有效的抵抗光輻射的能力，避免了同類型薄膜太陽電池受光輻射所導致的性能衰降現象。

基于當前的研究表明，銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池，在可見光譜范圍內具有較高的吸收系數，禁帶寬度通常為0.98～1.04eV，實際數值取決于實際元素組成化學計量比[2]。現代研究表明為了提高銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池的禁帶比例，在銅銦硒當中添加鎵，使得鎵元素部分替代銦元素，此時當銅銦鎵硒吸收層化學配比產生改變時，材料禁帶寬度在1.04～1.68eV內可調。

銅銦鎵硒薄膜太陽電池，其襯底可以為玻璃、不銹鋼薄膜、PI薄膜，相應材料的應用在很大程度上降低了該電池的成本，而基于研究表明，銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池，在使用柔性襯底后依舊可以獲得極高的光電轉換效率[3]。柔性的襯底的使用提升了電池的質量比功率。相應材料體系的光電轉換效率目前已經達到22.6%

2 銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池制備及性能表征研究實驗

首先以50μm厚度的PI薄膜作為電池襯底，采用直流磁控濺射法制備0.8～1.2mm的底電極Mo薄膜，在此之后通過蒸發法，預先沉積得到In-Ga-Se的預制層，其次利用550～580℃沉底溫度，采用真空蒸發法制得吸收層CuIn1-xGaxSe2薄膜。通過化學浴法制備厚度為50nm的緩沖層CdS薄膜；通過射頻磁控濺射法制備i·ZnO與AZO窗口層薄膜，最終在窗口層上制備Ag頂電極，形成銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池，其整體結構為：襯底（PI）、Mo、CIGS、CdS、i·ZnO、AZO、Ag。

電池制備完成之后，通過P-16型臺階儀、四探針電阻測試儀、分光光度儀、XRD、SIMS，為實驗儀器，針對銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池各功能層材料進行方阻、電導率、光透過率、表面形貌、元素分布等相關測試。

3 實驗結果分析

3.1 底電極制備分析

在柔性襯底的基礎上利用濺射方法進行制備得到底電極Mo，以此方法通過調節氬氣壓強，獲得性能不同的Mo底電極。通過上述濺射方法的制備，其最終得到與襯底結合性能較好的底電極，通過實驗結果顯示，以單一條件制備的底電極，其與PI材料的結合力及低電阻率無法兼得，為此需要制備多層金屬Mo襯底。以同時滿足結合力與低電阻的要求。

在接近襯底部分通過調節氬氣壓強環境，采用濺射方法進行底電極制備，具體制備流程為：首先在氬氣壓強較高的環境下采用濺射方法，使得底電極與襯底的結合性能良好，之后再在氬氣壓強較低的環境下使用濺射方法，以此獲得具有低電阻的Mo電極。最終對兩者方法結合后產生的電池進行分析，發現在PI上制備的Mo膜其表面光滑整潔，并且能夠在后續工藝中始終保持與襯底的良好結合。

3.2 吸收層制備分析

本文利用蒸發法設備，工藝方法是用三步法。可以看出，薄膜內的元素比例整體表現雖然合格，但是與之前研究所表明的最佳帶隙梯度具有較大差異，其整體效果表現偏差，基于此分析結果說明，在制備吸收層后，需要根據元素分布適當進行退火工藝。

退火工藝過程中，首先需要觀察Se源、襯底的溫度與升溫、降溫的溫度曲線，并重點記錄真空度變化對硒化過程的影響。如果相關參數控制精確度不足，那么通過SIMS進行測試可以發現，硒化過程當中，吸收層當中的Cu、In、Ga、Se的比例在局部范圍內出現分布不均的現象，并且整體比例偏離化學計量比，此時電池性能表現較差。

4 功能層薄膜的制備及其性能表征分析

4.1 緩沖層CdS制備與性能表征

本文采用化學水浴法制備CdS緩沖層，具體流程為：首先調整實驗溶液的pH值、Cd（CH3COO）2的溶液濃度、氨水濃度、硫脲濃度、緩沖劑濃度，以此促進緩沖層的結構均勻,防止出現成膜不勻的現象。分析采用物相分析與反射率測量分析儀器對CdS薄膜進行分析。分析顯示電池緩沖層CdS薄膜整體結構為四方相結構厚度為54nm，與電池設計初期對CdS材料成膜要求接近。CdS制備過程中需要嚴格控制成膜材料的Cd、S比例以達到最佳的材料帶隙。

4.2 i·ZnO、AZO薄膜制備與性能表征

首先對i·ZnO薄膜進行制備，采用射頻磁控濺射法開展，制備目標為ZnO薄膜厚度為50~70nm。i·ZnO薄膜的主要功能為透光及空穴阻擋層，由于i·ZnO與CdS緩沖層間的帶隙匹配所形成的勢壘能夠有效阻止空穴的傳輸，所以該薄膜的核心工藝在于透光率，因此為了實現性能最佳的薄膜制備，本文針對性的制備了450nm、500nm、550nm厚度的薄膜，通過不同厚度的薄膜透光狀況進行觀測，從而了解到i·ZnO薄膜性能最佳的厚度，觀測結果顯示，450nm薄膜的透光率為90%，透光分布呈現不均勻，具體原因與工藝及厚度有一定的關系，而500nm薄膜透光率為87%，整體表現合格但與本次實驗的高性能存在一定的差距，而550nm透光率達到81%以上，整體表現合格符合本次實驗的目標，結合四探針測量結果采用500nm薄膜制備為宜。

之后分別采用了射頻磁控濺射及直流磁控濺射對AZO薄膜進行制備。此兩種方法得出的結果在表征上存在一定的不同，具體結果為：通過射頻磁控濺射法制備的AZO薄膜，在表面電導性上要強于直流磁控濺射法，詳細參數為（射頻磁控濺射法制備出厚度為800nm的AZO薄膜，其在550nm的基礎上，透光率大于88%，表面光滑均勻，電阻率為0.0004Ω.cm）性能整體較為優秀。

5 結語

本文針對銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池進行研究，對其制備、表征、性能三個方面進行實驗、分析，在最終的分析結果對比之下，對銅銦鎵硒柔性薄膜太陽電池制備及表征有了初步的了解。

參考文獻

[1]郭洪玲,王艷玲,王艷梅.銅銦鎵硒薄膜太陽能電池背電極的制備及研究[J].高師理科學刊.2017 (8) :67-69.

[2]肖旭東,楊春雷.薄膜太陽能電池[M].科學出版社,2015,20(9) :109-111.

[3]李榮榮,趙晉津,司華燕.柔性薄膜太陽能電池的研究進展[J].硅酸鹽學報.2014 , 42 (7) :878-885.