文档介绍：河南大学
博士学位论文
CIS薄膜的电沉积法制备及其结构性能
姓名:王广君
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:李蕴才
2010-09
中文摘要
中文摘要
能源和环境是人类社会必须面对的两大基本问题。对化石燃料的过度依赖已
经严重破坏环境而影响到整个人类的可持续发展,寻找可再生、廉价、清洁能源
已成为当前人类面临的迫切课题。其中太阳能是一种最具潜力的清洁、安全、环
保的可再生能源,如果能把太阳能转化为电能将使人类彻底解决能源问题。太阳
能电池正是实现这个目标的最重要的手段,因此太阳能电池的研究受到人们的高
度关注。在人们所研究的太阳能电池序列中,CIS 系(CuInS2 、 CuInSe2 、
Cu(InGa)In(SxSe1-x)(InGa)(SxSe1-x)2)等是直接带隙半导体材料,光吸
收系数高达 105,是目前已知的光吸收性能最好的半导体薄膜材料,具有光电转
换效率高,性能稳定等诸多优点。因此光伏研究者公认 CIS 系薄膜太阳能电池是
最具大规模应用前景的太阳能电池之一。但三十多年来人们的不断努力,并没有
带来 CIS 系太阳能电池的大规模产业化,其主要原因,在于目前电池吸收层的制
备技术复杂,设备昂贵,使得 CIS 太阳能电池成本居高不下。在目前诸多电池吸
收层制备技术中,电沉积方法是一种经济实用的薄膜制备方法,极具工业化前
景,但也存在一些问题。本文基于电沉积制备 CIS 薄膜的优点及存在的问题,尝
试通过电沉积中的电解液离子浓度、pH 值的调节及沉积电源设计实现对薄膜组
分、形貌、晶型及与基底的结合力的控制,并探索可实用化的低成本 CIS 薄膜的
制备技术。为了排除缓冲层、窗口层等因素的影响,本论文着重研究吸收层的最
优化成膜条件。具体工作内容主要有以下三部分:
1. CuInS2 的制备及其性能研究
本章采用硫化前驱体的方法制备 CuInS2 薄膜。通过对沉积电位、电解液组
成、pH 值、柠檬酸钠浓度以及不同退火温度的调节,实现对薄膜结构、成分、
表面形貌以及光学吸收性质的控制。根据最佳实验参数,制备出具有较为理想的
表面形貌和合适化学计量比且是单一黄铜矿结构的 CuInS2 薄膜,其带隙为
eV。
2. CuInSe2 的制备及其性能研究
I
博士论文:CIS 薄膜的电沉积法制备及其结构性能
本章主要研究通过沉积电源的设计,实现对薄膜结构和性能的调控。
(1) 无电沉积法制备 CuInSe2 薄膜
用无电沉积法制备 CuInSe2 薄膜。研究了不同对电极(Fe,Zn,Al)、柠檬
酸钠浓度和退火温度对薄膜形貌、结构以及组分的影响。结果证明用 Al 作对电
极,在适当浓度( M)的柠檬酸钠作络合剂的情况下,在 500℃硒化退火处理
后得到了致密的 CuInSe2 薄膜,薄膜的成分接近化学计量比,薄膜具有单一的黄
铜矿结构,其带隙为 eV。
(2) 恒电位法电沉积制备 CuInSe2 薄膜
用恒电位法制备 CuInSe2 薄膜。研究了沉积电位、柠檬酸钠浓度、电解液 pH
值和退火温度对薄膜成分、表面形貌、结晶的影响。总结出沉积规律,优化沉积
参数,制备出了结晶良好,具有单一黄铜矿结构的薄膜,光学带隙为 。
(3) 脉冲电沉积法制备 CuInSe2 薄膜
采用独创的特殊脉冲电源以恒电流模式制备 CuInSe2 薄膜。研究了脉冲频
率、占空比、沉积电流及退火温度对薄膜成分、表面形貌和结晶的影响。筛选出
最佳沉积参数,制备出表面平整,与基底结合紧密,组分合理,具有单一黄铜矿
结构的 CuInSe2 薄膜。与直流恒电位模式制备的薄膜比较,在薄膜表面平整度、
与基底结合力、晶粒分布均匀致密等方面具有明显优势。薄膜光学带隙约为
。
3. 硫化温度控制法制备 CuIn(Se1-xSx)2 薄膜及性能研究
本章发展了一种全新的硫化技术,实现了具有梯度带隙的 CuIn(Se1-xSx)2 薄膜
的制备,技术手段新颖、简单、实用,具有低成本的显著优势。具体方案是:前
驱体 CuInSe2 薄膜用脉冲(或恒电位)电沉积制备,硒化退火后再在足量硫的蒸汽中
进行硫化,研究了硫化温度和硫化时间对薄膜的影响。实验中通过简单的调节硫
化温度获得 S 掺杂量不同的、具有梯度带隙的 CuIn(Se1-xSx)2 薄膜。CISS 薄膜中 S
的含量(x 值)随硫化温度的升高而增大,两者成线性关系,同时,薄膜的光学带隙
也同比增大,两者也近似为线性关系。在硫化温度为 500℃时前驱体 CuInSe2 薄
II
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