论文部分内容阅读
太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的光电器件，其中薄膜太阳能电池因其效率高、易柔性、适合建筑集成等优异的性能而被广泛关注。目前已实现商业化的薄膜太阳能电池主要有铜铟镓硒和碲化镉电池，但其制备过程中用到的In和Ga均为昂贵金属，且Cd具有生物毒性，所以人们希望能制备出一种廉价且无毒的薄膜太阳能电池。近期研究发现，V2-VI3族化合物材料硒化锑，具有非常大的吸光系数与合适的禁带宽度，且其组成元素在地壳中的丰度较高且毒性较低，是一种优良的吸光层材料；同时其具有熔点低、饱和蒸气压大的特点，且组成是二元单相，有利于热蒸发制备成膜。据此，本课题围绕着热蒸发法制备硒化锑太阳能电池开展了一系列研究和探讨： （1）首先系统研究热蒸发 Sb2Se3膜层的制备工艺、微观形貌及电池器件。分析硒化锑蒸气压的温度依赖性，并对沉积条件进行了系统的实验研究，主要关注衬底温度的影响，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）以及光响应研究沉积的硒化锑膜层的形态、组分和光敏性。选用CdS作为n型层构建了底衬结构的太阳电池，获得了2.1％的光电效率，从而为硒化锑薄膜在太阳能电池中的应用打下了坚实基础。 （2）针对热蒸发沉积Sb2Se3薄膜过程中易形成Se空位深缺陷的问题，开发了可控的原位分段通氧工艺，从而使Sb2Se3薄膜太阳能电池的开路电压、短路电流密度以及填充因子得到了极大的提升，转换效率最终提升至4.8%；通过表征可知，氧不仅能有效地减少CdS/Sb2Se3界面缺陷，还能钝化Sb2Se3薄膜中Se空位深缺陷，从而显著提升器件性能。 （3）基于密度泛函理论对硒化锑的缺陷性质进行模拟计算，其结果表明，在富硒环境下，能有效抑制深缺陷的形成，促进浅缺陷的形成。基于模拟结果，设计了简便易行的原位补硒实验方案。通过变温电导和瞬态光吸收测试，对富硒和贫硒环境中沉积的硒化锑薄膜的缺陷性能进行了表征，实验结果证明补硒可以有效的钝化深缺陷，提高P型掺杂浓度，将器件性能从2.92%提高到5.46%。最后，通过优化硒化锑薄膜的厚度，进一步将硒化锑太阳能电池的光电转换效率提高到5.8%。 （4）本文最后开展了非镉缓冲层TiO2、ZnSe和ZnO的真空“干法”制备研究，采用蒸发法沉积了TiO2和ZnSe薄膜，采用射频磁控溅射法沉积了ZnO薄膜。并以此为缓冲层构建了顶衬结构的硒化锑薄膜太阳电池，并取得一定性能，为后续非镉缓冲层硒化锑太阳能电池研究提供研究基础。