液态硒源制备铜铟镓硒薄膜硒化反应机理研究及在太阳电池中的应用

In this project, Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) absorber layers will be fabricated by selenization process using metal organic diethylselenide (DESe) as source material, which is a stable liquid at room temperature. The selenization process and reaction mechanism will be investigated. The process route of high quality CIGS thin films will be established. The selenization is planned to carry out by multi temperature steps, and the reaction intermediates in each step are measured. The Gibbs free energy and enthalpy change caused by phase change are calculated according to the third law of thermodynamics. By choosing suitable models, the activation energy of selenization reaction and the thermal dynamics in the formation process of CIGS four element system are analyzed. The selenization process and reaction mechanism will be clarified. Then, we apply the CIGS absorber layers to the practical CIGS thin film solar cells, and testify its availability on the electrical and optical respects. By analyzing the solar cell parameters and comparing these with conventional CIGS absorber layers, in order to improve the efficiency of CIGS solar cells, the effect of annealing and CuInGa precursors on the performance CIGS solar cells will be analyzed, the selenization process is further studied and clarified. Since the selenium source used in this method is liquid with low price, and the equipment for the process is simple, there exists the possibility to reduce the total cost of process and material. Therefore, this research may open a new technological way for CIGS thin film solar cells.

本项目采用常温下为液态的有机金属二乙基硒作为硒源，利用硒化法制备太阳电池光吸收层铜铟镓硒（CIGS）薄膜，研究硒化反应过程与机理，探索制作高质量CIGS薄膜的新方法。通过分段硒化，分析中间相的形成过程；根据热力学第三定律，计算相形成过程吉布斯自由能与相变焓的变化；选择动力学模型，分析硒化反应活化能的大小，研究CIGS四元材料体系相形成的热力学和动力学过程，解明硒化反应过程与机理。然后，将光吸收层用于CIGS薄膜太阳电池，验证材料的电学和光学特性。通过对太阳电池性能参数分析，为提高电池光电转换效率，研究硒化后不同退火机制与不同预制层结构对CIGS薄膜太阳电池光电转换效率的影响，进一步解明硒化反应与太阳电池性能的关联性。本项目研究的液态硒化新方法使用设备简单、原材料廉价，可能较低电池的工艺和原材料成本。因此，该项目可为CIGS薄膜太阳电池开辟新的技术途径。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池具有高效、轻质、抗干扰、抗辐射能力等优势，是新型光伏器件之一。常用的制备方法有真空蒸发法和磁控溅射后硒化法，真空蒸发法设备成本较高，原材料利用率较低。磁控溅射后硒化法，研究工作主要集中在后硒化过程，常用的硒源有固态的硒粉，液态的有机金属，和气态的硒化氢。固态的硒粉硒化时，消耗的硒粉用量过多，而且硒化效果较差。气态的硒化氢有剧毒，易燃易爆，价格昂贵，国内没有企业生产，只能依靠进口。因此本项目利用实验室原有设备，优化与改进了硒化系统的反应源。改进后的反应源采用双联动鼓泡器系统，对常温下为液态的有机金属二乙基硒（DESe）进行气化，利用共溅射的方法制备铜铟镓（CIG）金属预制层，然后将CIG金属预制层放入硒化系统内，在高温环境下导入DESe蒸汽进行硒化反应。分三段研究了硒化参数包括硒化温度、硒化时间、退火过程对CIGS薄膜性能的影响，解明了硒化过程反应过程与机理，从而制备了高质量的CIGS吸收层以及基于CIGS吸收层的太阳电池，优化CIGS太阳电池其他各薄膜层，最终制备的CIGS薄膜太阳电池光电转换效率达11.06%。本项目开展了有机金属硒源（DESe）与金属预制层（CIG）的反应过程与机理的研究，并制备了高效率CIGS薄膜太阳电池，为后续其他有机金属（例如：二甲基硒，二甲基二硒，二丁基硫醚等）在太阳电池领域的应用提供了借鉴与参考。