柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备及性能表征研究

赵岳

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津，300380）

1 铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池特性概述

CuInSe2属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物[1]。CuInSe2本身晶体结构属于黄铜矿，类似于Ⅱ-Ⅵ族化合物的闪锌矿晶体，基于其本身晶体结构的特性，铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池，能够有效的抵抗光辐射的能力，避免了同类型薄膜太阳电池受光辐射所导致的性能衰降现象。

基于当前的研究表明，铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池，在可见光谱范围内具有较高的吸收系数，禁带宽度通常为0.98～1.04eV，实际数值取决于实际元素组成化学计量比[2]。现代研究表明为了提高铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池的禁带比例，在铜铟硒当中添加镓，使得镓元素部分替代铟元素，此时当铜铟镓硒吸收层化学配比产生改变时，材料禁带宽度在1.04～1.68eV内可调。

铜铟镓硒薄膜太阳电池，其衬底可以为玻璃、不锈钢薄膜、PI薄膜，相应材料的应用在很大程度上降低了该电池的成本，而基于研究表明，铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池，在使用柔性衬底后依旧可以获得极高的光电转换效率[3]。柔性的衬底的使用提升了电池的质量比功率。相应材料体系的光电转换效率目前已经达到22.6%

2 铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池制备及性能表征研究实验

首先以50μm厚度的PI薄膜作为电池衬底，采用直流磁控溅射法制备0.8～1.2mm的底电极Mo薄膜，在此之后通过蒸发法，预先沉积得到In-Ga-Se的预制层，其次利用550～580℃沉底温度，采用真空蒸发法制得吸收层CuIn1-xGaxSe2薄膜。通过化学浴法制备厚度为50nm的缓冲层CdS薄膜；通过射频磁控溅射法制备i·ZnO与AZO窗口层薄膜，最终在窗口层上制备Ag顶电极，形成铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池，其整体结构为：衬底（PI）、Mo、CIGS、CdS、i·ZnO、AZO、Ag。

电池制备完成之后，通过P-16型台阶仪、四探针电阻测试仪、分光光度仪、XRD、SIMS，为实验仪器，针对铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池各功能层材料进行方阻、电导率、光透过率、表面形貌、元素分布等相关测试。

3 实验结果分析

3.1 底电极制备分析

在柔性衬底的基础上利用溅射方法进行制备得到底电极Mo，以此方法通过调节氩气压强，获得性能不同的Mo底电极。通过上述溅射方法的制备，其最终得到与衬底结合性能较好的底电极，通过实验结果显示，以单一条件制备的底电极，其与PI材料的结合力及低电阻率无法兼得，为此需要制备多层金属Mo衬底。以同时满足结合力与低电阻的要求。

在接近衬底部分通过调节氩气压强环境，采用溅射方法进行底电极制备，具体制备流程为：首先在氩气压强较高的环境下采用溅射方法，使得底电极与衬底的结合性能良好，之后再在氩气压强较低的环境下使用溅射方法，以此获得具有低电阻的Mo电极。最终对两者方法结合后产生的电池进行分析，发现在PI上制备的Mo膜其表面光滑整洁，并且能够在后续工艺中始终保持与衬底的良好结合。

3.2 吸收层制备分析

本文利用蒸发法设备，工艺方法是用三步法。可以看出，薄膜内的元素比例整体表现虽然合格，但是与之前研究所表明的最佳带隙梯度具有较大差异，其整体效果表现偏差，基于此分析结果说明，在制备吸收层后，需要根据元素分布适当进行退火工艺。

退火工艺过程中，首先需要观察Se源、衬底的温度与升温、降温的温度曲线，并重点记录真空度变化对硒化过程的影响。如果相关参数控制精确度不足，那么通过SIMS进行测试可以发现，硒化过程当中，吸收层当中的Cu、In、Ga、Se的比例在局部范围内出现分布不均的现象，并且整体比例偏离化学计量比，此时电池性能表现较差。

4 功能层薄膜的制备及其性能表征分析

4.1 缓冲层CdS制备与性能表征

本文采用化学水浴法制备CdS缓冲层，具体流程为：首先调整实验溶液的pH值、Cd（CH3COO）2的溶液浓度、氨水浓度、硫脲浓度、缓冲剂浓度，以此促进缓冲层的结构均匀,防止出现成膜不匀的现象。分析采用物相分析与反射率测量分析仪器对CdS薄膜进行分析。分析显示电池缓冲层CdS薄膜整体结构为四方相结构厚度为54nm，与电池设计初期对CdS材料成膜要求接近。CdS制备过程中需要严格控制成膜材料的Cd、S比例以达到最佳的材料带隙。

4.2 i·ZnO、AZO薄膜制备与性能表征

首先对i·ZnO薄膜进行制备，采用射频磁控溅射法开展，制备目标为ZnO薄膜厚度为50~70nm。i·ZnO薄膜的主要功能为透光及空穴阻挡层，由于i·ZnO与CdS缓冲层间的带隙匹配所形成的势垒能够有效阻止空穴的传输，所以该薄膜的核心工艺在于透光率，因此为了实现性能最佳的薄膜制备，本文针对性的制备了450nm、500nm、550nm厚度的薄膜，通过不同厚度的薄膜透光状况进行观测，从而了解到i·ZnO薄膜性能最佳的厚度，观测结果显示，450nm薄膜的透光率为90%，透光分布呈现不均匀，具体原因与工艺及厚度有一定的关系，而500nm薄膜透光率为87%，整体表现合格但与本次实验的高性能存在一定的差距，而550nm透光率达到81%以上，整体表现合格符合本次实验的目标，结合四探针测量结果采用500nm薄膜制备为宜。

之后分别采用了射频磁控溅射及直流磁控溅射对AZO薄膜进行制备。此两种方法得出的结果在表征上存在一定的不同，具体结果为：通过射频磁控溅射法制备的AZO薄膜，在表面电导性上要强于直流磁控溅射法，详细参数为（射频磁控溅射法制备出厚度为800nm的AZO薄膜，其在550nm的基础上，透光率大于88%，表面光滑均匀，电阻率为0.0004Ω.cm）性能整体较为优秀。

5 结语

本文针对铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池进行研究，对其制备、表征、性能三个方面进行实验、分析，在最终的分析结果对比之下，对铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池制备及表征有了初步的了解。

参考文献

[1]郭洪玲,王艳玲,王艳梅.铜铟镓硒薄膜太阳能电池背电极的制备及研究[J].高师理科学刊.2017 (8) :67-69.

[2]肖旭东,杨春雷.薄膜太阳能电池[M].科学出版社,2015,20(9) :109-111.

[3]李荣荣,赵晋津,司华燕.柔性薄膜太阳能电池的研究进展[J].硅酸盐学报.2014 , 42 (7) :878-885.