cuinse2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能的关系

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1、CuInSe2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能的关系自1954年美国贝尔实验室研制成功第一个实用硅太阳能电池以来，无机和有机化合物类光伏材料相继问世。近年来，伴随着各种技术的蓬勃发展，导致薄膜太阳能电池的制造技术也不断发展并不断趋于成熟和稳定。在薄膜太阳能电池中，材料种类很多。现在用于太阳能电池作为吸收光能并转换成电能的吸收层半导体材料以非晶硅(a-Si)、锑化镉(CdTe)、铜铟硒(CulnSe2)以及衍化物铜铟稼硒(CIGS)为主。早期研究最多的是非晶硅(a-si)与锑化镉(CdTe)相关的太阳能电池的研制和开发，但是在费用和器件的转换效率方面还存在着一定的不足，

2、费用太高且效率太低。随着时代和科技的进步研究者发现并开发出一种新的太阳能电池，那就是以CulnSe2(CIS)以及其衍生物Cu(In,Ga)Se2(CIGS)为主的太阳能电池，以其高稳定性、高效率和低费用而受到各国研究者的青睐。主要因为CulnSe2是直接带隙半导体材料，且其能隙值能包括大部分的太阳光谱，具有相当高的光吸收系数，同时可调整其本身的化学组分而得到热稳定好，在长时间的工作状态下依然能维持良好的光电转换性能等特性。综上所述，铜铟硒及其衍化物是一种很有前景的太阳能吸收材料，同时与此半导体材料相关的太阳能电池元件也相应成为很有吸引力的一种光电转换装置。本文主要探讨C

3、uInSe2薄膜太阳电池材料微观结构与其光电性能间的关系。1974年，Wagner利用单晶CulnSe2研制出高效太阳能电池，其效率可以达到6%，标志着CIS光伏材料的崛起。但是单晶CulnSe2制备困难，价格昂贵，限制了其发展。1976年，第一个CIS多晶薄膜太阳能电池的诞生，真正激励了各国研究者。1982年，波音公司制备的CdS/CulnSe2薄膜太阳能电池，其效率超过10%。研究中，人们通过合金化Cu(Ga,In)Se2和Culn(S,Se)2成功将材料的禁带宽度增大，使其能更接近光伏转换最佳值约为1.4eV，在提高转换效率的同时获得了更高的开路电压。1993年，欧

4、洲CIS(EuroCIS)研究中心使用CdS/Cu(In,Ga)Se2结构，成功将效率提升到15%左右。1996年，美国可在生能源国家实验室(NERL)利用与EuroCIS研究中心相同的结构加以改良将效率提高到了17.7%。直到现在为止，NERL已将效率再往上提升至19.5%[24]。在国内，CIS的研究方面起步较晚，发展不如国外快，其研究最早与最深入的属南开大学的CIS太阳能电池研究小组，他们针对太阳电池器件进行了器件和膜层材料以及制备方法的全面研究，取得很大的进步，推动的国内CIS和CIGS太阳能电池的发展，在CIGS太阳能电池的转换效率上已经达到12.1%左右[20

5、]。CIS材料的理论始于20世纪80年代中期。研究者从价带理论角度对三元黄铜矿化合物的能带和晶格结构进行分析，对CIS材料内部各种缺陷的生长与材料组分的关系进行了深入地研究。对高效多晶薄膜太阳能电池分析测试研究的结果表明，电池的转换效率是由活性吸收材料单晶CulnSe2中载流子的复合来控制。同时多数载流子在晶界边缘的复合也是造成多晶太阳能电池转换效率降低的另一主要原因。制备CIS太阳能电池器件各层材料的方法有许多，而且针对同一层材料，其制备方法又是多种多样的。在制备CIS太阳能电池中，其中制备CulnSe2层又是最重要与最困难的。针对CIS太阳能关键层CulnSe2吸收层

6、的制备，不同的研究者采取不同的制备方法。在国内与国外，CulnSe2薄膜材料制备方法主要有电沉积方法[25-29]、蒸发镀膜方法[30,31]、磁控溅射镀膜法[32,33]、分子束外延生长法[34,35]等各种不同的方法，先制备单质夹层然后经过退火处理得到化合物薄膜，通过不同的方法生长Culn预置层然后再进行硒化等[35-42]。在这些制备方法中，采用最多的同时又是最可行的，费用最低的是最后一种。但是在最后的一种方法中，对于制备Culn预置层又是多种多样的，本文即采用此种方法制备CulnSe2薄膜，并研究其各种特性。[20]刘芳芳,何清,李凤岩,等.Cu(In,Ga)Se

7、2材料对其电池性能的影响[J].半导体学报,2005,26(10):1954-1958.[24]MiguelA,ContrerasK,RamanathanJ,etal.Diodecharacteristicsinstate-of-the-artZnO/CdS/Cu(In1-xGax)Se2solarcells[R].ProgPhotovolt:ResAPPl,2005,13:209-212.[25]N.B.Chaure,J.Young,A.P.Samantilleke,etal.ElectrodepositionofP-i-n