制备重掺p+层建立CIGS薄膜太阳电池背场结构和模组隧道结及其对载流子传输的影响

In this project, the back surface field structure of CIGS thin film solar cells will be established through replacing MoSe2 using highly doped P+ film (which was formed at the interface of CIGS/Mo). The influence rules of back surface field effect on the back electrode electron hole collection of the CIGS thin film solar cells, and the back surface field structure on the single cell conversion efficiency will be studied. In addition, the highly doped P+ film will form tunnel junction at the P2 position of the CIGS solar modules. On this basis, the influence rules of the formation and property of tunnel junction on the solar module carrier transmission and transfer efficiency will also be investigated.

分别通过反应磁控溅射和溅射-硫化（硒化）制备MoO2+x、Cu2-xO和Cu2-xS、Cu2-xSe重掺杂p+薄膜，研究制备工艺参数对p+薄膜结构和电学性质的影响。在此基础上，在CIGS/Mo界面制备适当形貌和合适能带结构的重掺杂p+薄膜代替MoSe2，以期在解决CIGS/Mo界面肖特基p-n结问题的同时，建立CIGS薄膜太阳电池背场结构，探讨背场效应对CIGS薄膜太阳电池背电极空穴收集的影响，以及背场结构对单电池转换效率的影响规律；此外，利用前述Mo层上制备的重掺p+薄膜于CIGS薄膜电池模组的P2位置处与AZO形成隧道结，研究隧道结的形成和特性对电池模组中前后电池间载流子传输的影响，以及对电池模组整体转换效率的影响规律。

CIGS薄膜太阳电池在稳定性、能量比重等方面具有其它光伏器件无可比拟的优势，但其器件结构自1982年以来，未发生大的改变，效率的进一步提升也碰到了天花板。项目针对当前硅电池研究成果中提出的背场效应等进展，考虑将这些器件结构的研究成果和优化措施应用到CIGS电池中，在CIGS/Mo界面层上建立p+薄膜，从而建立背场结构CIGS电池并考查背场效应对CIGS电池效率的影响。项目根据Mo层与CIGS层的物化性质和半导体特性，圈定了Cu2-xO、MoO2+x、Cu9S5、NiOx和有机无机杂化半导体等作为p+薄膜的范围，并分别开展了材料合成和薄膜制备工作，成功在Mo层上分别采用反应溅射制备MoO2+x，采用前驱体溶液法和墨水法制备Cu9S5，采用电化学沉积-热处理制备NiOx，实现Mo层上p+薄膜的有效制备。研究了制备工艺条件对p+薄膜结构形貌的影响及光电性能的影响；实验建立了MoO2+x/Mo、FTO/Cu9S5和CdS/Cu9S5等双层界面结构模型，并对界面结合性况，载流子输运效果等开展了研究；组装了基于背场效应的AZO/ZnO/CdS/CIGS/p+/Mo结构CIGS薄膜电池，对比传统AZO/ZnO/CdS/CIGS/Mo结构CIGS电池，研究了p+薄膜对CIGS电池转换效率的影响。结果表明，在相同工艺水平下，NiOx等p+层在CIGS/Mo界面上的插入，可以提升3%左右的电池转效率（从传统结构的12%左右提升至背场结构的15%）。.研究也发现，p+层在CIGS/Mo界面上的插入极易引起CIGS吸收层与Mo层的结合不良，也会在“三线”组装工艺中导致P2位置AZO/Mo层界面结合不良。这可能与p+层与CIGS和AZO的高温润湿行为有关，在针对NiOx的工作中，通过紫外辐照等手段，可以明显改善这一情况，更多的工作需要在后期的研究中进一步探索和改善。总体而言，项目通过在CIGS薄膜太阳电池中在Mo层表面制备p+层，验证了背场效应对于CIGS薄膜太阳电池的有效性，其效率提升空间值得进一步开展深入研究。