低温生长柔性聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜材料及光伏器件研究

本项目研究在柔性聚酰亚胺（PI）衬底上低温生长半导体多晶CIGS薄膜材料的反应动力及其光伏器件的物理问题。由于受PI衬底限制，必须采用低温过程生长CIGS薄膜，这将会对原子徙动、元素扩散及薄膜梯度带隙分布造成负面影响，使缺陷密度及晶界复合增加。本项目拟通过辅助能量裂解提高元素活性，改善低温生长CIGS多晶薄膜的结晶动力、表界面势垒的高度与缺陷态分布，提升CIGS薄膜材料性能，并建立低温生长CIGS薄膜的反应动力模型；同时通过研究PI衬底上Mo与CIGS薄膜之间缓冲层的生长织构对CIGS薄膜成核及晶粒生长的影响，改善Mo/CIGS界面的金半接触，解决柔性衬底热应力导致的附着力问题，并结合对该器件的电输运机制研究，优化整体光伏器件的输出特性。本项目的开展不仅会加深对制备高质量CIGS薄膜生长机制的理解，同时也为制备高效、稳定的柔性PI衬底CIGS 薄膜电池解决关键的科学问题。

以柔性PI为衬底的CIGS薄膜太阳电池具有高质功比，易卷曲携带，适合大规模卷卷生产等优势。但该衬底承受的温度低于450oC, 则此电池需采用低温生长CIGS，提高电学性能的Na也需外掺才能实现。此外，低衬底温度下元素扩散速率及带隙梯度的变化对CIGS生长的影响，及前后电极的应力、金半接触及光电损失等问题均需考虑。为了解决以上问题，在Se源活性提升情况下，本项目主要研究了：（1）低温生长CIGS薄膜器件中Na掺杂对开路电压的影响，确定出主要隧穿机制及复合模型为SCR隧穿复合增强型，获得了影响开路电压的微观机制为表面Na分布的不合理导致的缺陷密度增加；通过研究Na在CIGS不同生长阶段的外掺杂问题并结和器件仿真软件wxAMPS对器件界面复合特性的模拟，确定了Na掺杂影响的主要步骤为低温第二步化合过程，而第三步和后掺杂对CIGS薄膜的输出特性影响不明显，可以取代后掺Na有效减少生长时间及工艺复杂性，从而提升器件效率到10.6%。（2）不同衬底温度下Cu沉积速率对CIGS薄膜生长机制的影响。发现衬底温度提升下，沉积速率（低于110nm/min）会有效降低晶界复合，提高电池的开路电压和填充因子，但沉积速率过高（300nm/min)会促进暂态Cu2-xSe晶粒的生长,引起CIGS薄膜表面粗糙度增大，造成施主缺陷钝化效应降低，引起电池内部复合增加并产生分流路径，最终导致开压和填充因子的下降（3）通过成分梯度调控，我们有效调节了Ga梯度的最小带隙值与背面Ga梯度，改善了低温生长CIGS薄膜存在的两相分离现象，增强了背电场的光生电子驱动作用，降低了电池内部复合，提高了电池的开路电压和填充因子。（4）研究了PI与Mo背电极之间的应力变化，获得了影响PI衬底上Mo电极的主要因素及应力调节范围，有效提升了PI/Mo的背接触特性，同时通过前Ni/Al栅极的设计及计算，达到遮光损失与电学损失的平衡，有效降低了栅极引起的光电损失。最终电池效率进一步提升到10.9%。本项目的研究结果不仅加深了我们对低温生长CIGS 薄膜微观机制的理解，同时也为进一步实现高效柔性PI 衬底CIGS 薄膜电池中涉及到的相关科学问题打下了基础。