反应磁控溅射制备ZnO薄膜及其在CIGS薄膜太阳电池中的应用

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cell, as one of the most potential thin film solar cell types, could be widely applied in different areas . I-ZnO/ZnO:Al window layers play a great role in the high efficiency CIGS thin film solar cells. However, its physical mechanism is not clear so far. Reactive magnetron sputtering is an advanced thin film deposition technique, which could be used to prepare a series of ZnO thin films with different kinds of properties. It provides a broad technology space for study of the ZnO widow layers applied in CIGS thin film solar cells. Starting from both the theory and practical experiment, this study focuses on the reactive magnetron sputtered ZnO thin films for application in CIGS thin film solar cells so as to enhance the conversion efficieny. Plasma emission monitor (PEM) controlling technology is employed to prepare the ZnO thin films with different kinds of properties during the reactive magnetron sputter deposition process. In the mean while, the transportation properties of particles during reactive magnetron sputtering process as well as the bandgap relationship, influence of interfaces, carrier transportation in the devices, etc. are systematically investigated.

铜铟镓硒薄膜（Cu(In,Ga)Se2）太阳电池作为最具潜力的薄膜太阳电池之一，具有广泛的应用前景。I-ZnO/ZnO:Al窗口层在高效率铜铟镓硒薄膜太阳电池结构中发挥着十分重要的作用，尽管如此，其物理机理并不完全清楚。反应磁控溅射作为最先进的薄膜制备方法，可以在比较宽的参数空间内制备一系列不同材料特性的ZnO薄膜。这为系统研究i-ZnO/ZnO:Al窗口层在高效率铜铟镓硒薄膜太阳电池中的作用提供了广阔的技术空间。本申请课题从理论研究和实践探索两方面出发，系统研究反应磁控溅射工艺和等离子发射监控(PEM)方法制备的ZnO薄膜的不同材料特性，并将其应用于CIGS薄膜太阳电池中以获得高的电池效率。同时，我们将深入研究反应磁控溅射工艺的粒子输运特性与工艺条件、材料特性之间的关系以及电池器件的能带关系、界面作用和载流子输运机制等相关物理机理。

本项目系统地研究了采用反应磁控溅射技术在不同工艺条件如工作气压、氧分压、溅射功率、不同掺杂浓度的靶、衬底温度下制备的ZnO薄膜的各种材料特性如沉积速率、光电特性、表面形貌、晶体结构、化学成分以及与工艺参数之间的相互关系如工作气压与氧分压和氧气流量之间的关系、靶电压与氧分压和氧气流量之间的关系、溅射功率与氧分压和氧气流量之间的关系等。同时，将反应溅射制备的ZnO:Al薄膜材料应用于共蒸发工艺的铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2, CIGS）薄膜太阳电池中作为窗口层，系统研究了ZnO:Al的光电特性与CIGS薄膜太阳电池中间的关系和影响，从而更加深入地理解反应溅射沉积条件对ZnO:Al的材料性能的影响和控制以及相关物理机理。本项目研究的开展不仅为ZnO:Al材料的制备和研究提供了新技术的更加完备的研究数据和技术基础，同时也为TCO材料的选择提供了种类和参考。此外，完备的反应溅射ZnO:Al薄膜的研究也为CIGS薄膜太阳电池的研究提供了理论和实践基础。尽管到目前为止，本项目研究中以反应溅射制备的ZnO:Al为窗口层的CIGS薄膜太阳电池取得了16.2%的CIGS薄膜太阳电池转换效率，略低于同批次的效率为17.2%的参考CIGS薄膜太阳电池（以RF非反应磁控溅射的ZnO:Al薄膜为窗口层），但是通过近一步优化反应溅射工艺条件将可以进一步提升ZnO:Al各种材料特性，这样也将进一步提升对应的CIGS薄膜太阳电池转换效率。本课题组目前已经取得了CIGS薄膜太阳电池最高光电转换效率为18.2%，在未来，我们将进一步优化CIGS光吸收层以及其他各功能层材料的特性来进一步提升CIGS薄膜太阳电池效率。