CIGS薄膜结晶取向设计及对其光伏性能影响机理的研究

CuInGaSe2(CIGS)薄膜太阳电池以其优异的综合性能受到广泛的关注。在构成电池的诸层薄膜中，最为重要的当属作为吸收层的多晶CIGS薄膜。由于多晶薄膜中存在的结晶择优取向会显著影响薄膜的微观组织结构，从而严重影响薄膜的物理性能及力学性能，因此本项目提出通过设计CIGS薄膜的结晶择优取向来优化其光伏性能及器件的使役性能。CIGS薄膜的结晶择优取向设计可通过在薄膜与基底之间引入不同的界面层来实现。结晶择优取向一方面会影响薄膜中的缺陷态，从而影响薄膜的光伏性能；另一方面会影响相邻薄膜之间的晶格匹配状况，从而影响器件的成品率。本项目主要针对具有结晶择优取向的CIGS薄膜的制备工艺和微观组织结构对薄膜性能影响的规律开展研究，即研究制备工艺对薄膜相组成、结晶特性、界面结构、晶界类型以及光伏性能的影响规律，从而揭示薄膜组织、结构与性能的演化规律与机制，阐明结晶择优取向对材料能带结构影响的物理机制。

CIGS薄膜是CIGS薄膜太阳能电池中最为关键的膜层，通常采用的制备方法是共蒸发法。然而共蒸发法制备CIGS薄膜存在一个严重的问题，即薄膜与基底的附着性较差。磁控溅射法制备薄膜是一种较成熟的工艺，基于该方法制备的薄膜具有与基底附着性强、成份均匀等优点，已被产业界广泛采用。然而，利用单靶磁控溅射一步制备CIGS薄膜的研究仍较为匮乏，相关研究的开展对于早日实现CIGS太阳能电池的大规模产业化意义重大。. 研究表明，CIGS薄膜中的晶界型态直接影响着载流子输运及复合情况，而晶界型态又与薄膜的择优取向密切相关。即，具有(220)/(204)择优取向的CIGS薄膜中是以3型晶界为主，该型晶界非常有利于载流子输运、减少光生载流子的复合几率。因此，实现单靶磁控溅射一步沉积制备具有可控择优取向的CIGS薄膜就显得尤为重要，而目前尚未见到相关研究报道。本项目通过对薄膜沉积参数的调控，已实现了具有可控择优取向的CIGS薄膜的制备，并实现了单靶磁控溅射一步沉积具有大晶粒CIGS薄膜的制备，分析了沉积过程和热处理过程中影响薄膜择优取向、成份、结晶性能及物理性能的规律与机制。此外，提出一种改善吸收层CIGS薄膜与背电极层Mo薄膜之间连接的新方案。具体重要的研究结果如下：.(1) 在室温下沉积CIGS薄膜，沉积速率越高，则薄膜中(220)/(204)择优取向越明显、Se元素含量越高而Cu元素含量越低；溅射电压越低则In的含量越低、Ga的含量越高；.(2) CIGS薄膜的择优取向会随溅射基底温度的增加而发生从(220)/(204)向(112)的变化，但薄膜成份在一定的基底温度范围内变化并不明显；.(3) 通过改进基底加热方式，在基底温度为400ºC时沉积的CIGS薄膜具有最为良好的结晶状态，这种基底加热方式为磁控溅射低温沉积具有大晶粒CIGS薄膜奠定了重要的实验基础，对于低温制备柔性CIGS太阳能电池意义非常重大；.(4) 对于沉积时已具有较为良好结晶状态的CIGS薄膜，500ºC的退火基本不会改善其结晶状态，反而会造成其中一些易挥发元素的流失；.(5) 经过550ºC快速热处理的富铜CIGS薄膜可作为吸收层和背电极层之间的缓冲层，可有效降低与背电极层之间的接触势垒宽度，增大载流子的遂穿概率，进而有望增加电池的开路电流、提高电池的转换效率。