离子液体电沉积构筑纳米有序直孔/柱状结构CIGS吸收层及其光电转换性能研究

The bottleneck factors of the application for Cu-In-Ga-Se (CIGS) film solar cell are highmanufacturing cost, low photoelectric conversion efficiency, and poor reproducibility, while the preparation of CIGS absorb layer plays a decisive role. There is an important practical significance to develop a new low-cost, continuous and high steady technology for producing CIGS film with high-photoelectric conversion performance. This project comprises the study of the production process, growing mechanism and property of the vertical-hole/columnar nano ordered CIGS films electrodeposited from ionic liquid electrolytes. Based on the optimized electrodeposition technology and codeposition mechanism cleared of In, Ga Se and Cu, the nano orderly structure CIGS film can be electrodeposited directly on a specially pretreated substrate surface. The performance of the solar cells assembled with above CIGS films, the relationship between the structure and performance will be studied, and theCIGS photoelectric conversion mechanism will be proposed on the basis of computational stimulations and caculations. Compared with the other methods, electrodeposition is a low-cost and continuous production technique. Compared with traditional aqueous solution systems , it is easier to obtain a stable-composition CIGS deposit from ionic liquid electrolytes. Compared with the alumina template method, the nanometer structure CIGS film grown directly on the substrate surface by electrodeposition will have a large specific surface area, which owns higher conversion efficiencies because of getting the sun radiation more easily.

制约铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池实用化的主要因素是其制作成本高、转换效率低、重现性差等，其中CIGS吸收层的制备起着决定性作用。因此，开发一种低成本、连续、稳定地制备高转换效率的CIGS吸收层的新技术具有重要的现实意义。 本项目主要开展离子液体中电沉积构筑纳米有序直孔/柱状结构的CIGS吸收层的工艺、理论与性能研究，在优化电沉积工艺、弄清Cu与In、Ga、Se 共沉积机理的基础上，在经过特殊预处理的基底表面直接形成纳米有序结构的CIGS薄膜，然后用此薄膜组装成太阳电池研究其结构与性能的关系，经模拟与计算提出纳米结构CIGS吸收层提高转换效率的机制。 相对于其他制备方法，电沉积可低成本、连续生产；相对于水溶液，离子液体电沉积更容易得到组成稳定的CIGS吸收层。相对于氧化铝模板法，电沉积方法在基底表面原位生长的纳米结构的CIGS吸收层具有更大的比表面积、更易于接受太阳光的照射。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池中的CIGS吸收层主要通过物理气相沉积方法获得，其制作成本较高、转换效率较低、重现性较差，严重制约了该电池的实用化。因此，开发电沉积制备CIGS工艺势在必行。但由于水溶液中实现Cu、In、Ga、Se的共沉积难度较大，所以本项目提出以离子液体为溶剂，并在经过特殊处理的基底上电沉积得到具有有序直孔/柱状结构的CIGS吸收层，以获得高转换效率、性能稳定的CIGS薄膜太阳电池。.本项目的主要研究内容及取得的重要结果如下：（1）电沉积方面，开展了分步电沉积工艺研究，即在离子液体中分别沉积Cu、In、Ga、Se单质层，或分别沉积Cu-In、Cu-In-Ga、Cu-In-Se合金层，或一步电沉积CIGS薄膜，一步电沉积包括不同离子液体中的电沉积、不同方式（恒电势、恒电流、脉冲电流）电沉积。研究表明，不同沉积方式得到的沉积层，经退火处理均可得到符合化学计量比的CIGS吸收层。相对而言，分步沉积虽然工序较多，但控制相对容易，性能稳定；一步电沉积工艺简单，但薄膜组成不易控制，尤其是Ga含量容易偏低，性能不太稳定。弄清了不同条件下的共沉积机制。（2）通过在基底表面形成阵列分布的纳米活性点之后电沉积得到了纳米柱阵列的CIGS薄膜，通过在导电基底表面进行激光刻蚀得到阵列分布的纳米绝缘孔之后电沉积得到了具有纳米孔阵列的CIGS薄膜。研究表明，纳米阵列结构CIGS薄膜的比表面积是普通薄膜的6倍以上，显著增强其对太阳光的吸收，可大幅提高光电转换效率。（3）通过组装CIGS太阳电池，分析对比了不同结构的CIGS薄膜对电池转换效率的影响。研究表明，纳米柱状结构转换效率明显高于纳米孔结构。由于电池制作工序较多、影响因素复杂，实验室组装的电池转换效率仅为5%左右，尚不能达到实际应用水平，需要继续研究。.本项目探索了一种制备CIGS吸收层的新方法，虽然以此薄膜组装的电池性能尚不太理想，但还是展示出了其良好的前景，相信经过完善后定能达到实用化水平，为新能源综合利用发挥作用。