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铜铟镓硒薄膜太阳电池关键制备工艺分析及性能测试

1.引言

1.1背景介绍与意义

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池作为一种高效、环保的太阳能电池，自20世纪80年代以来一直受到广泛关注。它具有高转换效率、良好的稳定性和弱光性响应等优势，使其在可再生能源领域具有广阔的应用前景。近年来，随着全球能源危机和环境问题日益严重，铜铟镓硒薄膜太阳电池成为了新能源技术的研究热点。

1.2文献综述

国内外研究者对铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备工艺和性能进行了大量研究。磁控溅射法、激光脉冲沉积法等制备工艺不断发展，提高了电池的性能。同时，针对电池的结构、工艺和材料等方面的优化也取得了显著成果。然而，目前关于铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备工艺和性能研究仍存在许多问题，有待进一步解决。

1.3研究目的与内容

本文旨在分析铜铟镓硒薄膜太阳电池的关键制备工艺，并对电池的性能进行测试。首先，概述铜铟镓硒薄膜太阳电池的结构与原理，以及其优势和挑战。然后，重点分析磁控溅射法和激光脉冲沉积法两种制备工艺，包括设备与材料、工艺参数优化等方面。最后，对铜铟镓硒薄膜太阳电池的电学性能、光学性能和稳定性能进行测试与分析，为性能优化提供依据。

2铜铟镓硒薄膜太阳电池概述

2.1铜铟镓硒薄膜太阳电池结构与原理

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池是一种新型薄膜太阳能电池，具有高光吸收系数、高转换效率和良好的稳定性。其基本结构一般由玻璃基底、导电膜、缓冲层、CIGS吸收层、缓冲层、透明导电膜和电极等部分组成。

CIGS薄膜太阳电池工作原理基于光生伏特效应。当太阳光照射到CIGS吸收层时，光子与CIGS中的电子相互作用，使电子从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。在电池内部电场的作用下，电子和空穴分别向N型半导体和P型半导体迁移，从而形成电动势。通过外部电路连接，可产生电流输出。

2.2铜铟镓硒薄膜太阳电池的优势与挑战

铜铟镓硒薄膜太阳电池具有以下优势：

高转换效率：CIGS薄膜太阳电池的实验室转换效率已超过20%，具有较高的理论极限效率（~30%）。

宽光谱响应：CIGS吸收层对可见光和近红外光具有较好的吸收性能，适用于低光照条件。

耐候性强：CIGS薄膜太阳电池具有良好的耐高温、抗紫外性能，适用于户外环境。

轻薄、柔性：CIGS薄膜太阳电池可采用柔性基底，便于集成到建筑、家居等领域。

然而，CIGS薄膜太阳电池也面临以下挑战：

成本较高：CIGS薄膜太阳电池的制备成本相对较高，限制了其在市场上的竞争力。

铟资源短缺：CIGS薄膜太阳电池中铟元素含量较高，而全球铟资源有限，可能导致原材料价格上涨。

工艺复杂：CIGS薄膜太阳电池的制备工艺相对复杂，对设备和技术要求较高。

稳定性不足：CIGS薄膜太阳电池在长期使用过程中，可能出现性能衰减现象，影响其使用寿命。

3.关键制备工艺分析

3.1磁控溅射法

3.1.1设备与材料

磁控溅射法是制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池的一种常用方法。本实验采用的磁控溅射设备包括射频磁控溅射系统和直流磁控溅射系统。其中，射频磁控溅射系统用于制备CIGS薄膜，而直流磁控溅射系统用于制备金属电极。

实验中所用材料主要包括铜靶（Cu）、铟靶（In）、镓靶（Ga）和硒靶（Se）。此外，还使用了玻璃作为基底材料，以及氮化硅（Si3N4）和氧化锌（ZnO）作为缓冲层和窗口层材料。

3.1.2工艺参数优化

为获得高性能的CIGS薄膜太阳电池，对磁控溅射工艺参数进行优化至关重要。以下是本实验对工艺参数的优化过程：

溅射功率：通过调整射频和直流磁控溅射的功率，研究其对CIGS薄膜结构和电学性能的影响。结果表明，在合适的溅射功率下，可以获得致密、结晶性良好的CIGS薄膜。

溅射气压：改变溅射气压，研究其对CIGS薄膜厚度、成分和结构的影响。实验发现，在一定范围内，溅射气压对薄膜性能有显著影响。

衬底温度：在磁控溅射过程中，衬底温度对CIGS薄膜的结晶性和电学性能具有重要影响。本实验对衬底温度进行了优化，以获得高性能的CIGS薄膜。

溅射时间：通过调整溅射时间，研究其对CIGS薄膜厚度和成分的影响。实验结果表明，合适的溅射时间有利于获得高质量的CIGS薄膜。

3.2激光脉冲沉积法

3.2.1设备与材料

激光脉冲沉积法（PLD）是另一种制备CIGS薄膜的常用方法。本实验采用的PLD设备包括激光器、靶材和基底加热系统。实验中所用材料与磁控溅射法相同。

3.2.2工艺参数优化

为获得高性能的CIGS薄膜太阳电池，本实验对PLD工艺参数进行了优化：

激光功率：调整激光功率，研究其对CIGS薄膜结构和电学性能的影响。实验结果表明，适当的激光功率有利于提高CIGS薄膜的性能。

气氛压力：在PLD过程中，气氛压力对CIGS薄膜的成分和结构具有显著影响。通过优化气氛压