[01222354]反应磁控溅射制备ZnO薄膜及其在CIGS薄膜太阳电池中的应用

1. 课题来源与背景; 能源问题和环境问题促使新能源利用的不断开发和发展,核能利用的潜在而永久的威胁和不断发生的核电事故再次触发新能源的集中研究和快速产业化。太阳能成为解决能源和环境问题的主要能源利用形式。铜铟镓硒（CuInxGa1-xSe2, 简称CIGS） 薄膜太阳电池由于其具有（1）高效率;（2）低成本;（3）环境友好;（4）高的光吸收系数;（5）禁带宽度可调;（6）弱光性能好;（7）耐高能电子和质子等粒子辐射强;（8）性能稳定,无光致衰退等诸多特点而成为目前薄膜太阳电池研究和产业应用的主要发展方向。高效率CIGS薄膜太阳电池的结构通常采用高阻和掺杂氧化锌（ZnO）薄膜双层结构即i-ZnO/ZnO:Al薄膜的薄膜材料应用于CIGS薄膜太阳电池作为窗口层材料,具有十分重要的作用。另外,从材料的制备成本和制备技术来说,采用反应磁控溅射技术以及低廉金属靶原材料和氧气制备ZnO可以获得更快的沉积速率,具有更低的制备成本;同时,反应磁控溅射沉积技术可以在更加广泛的工艺参数范围内调控ZnO的材料属性,性能适合的材料应用于各种光电器件中将大大提升其性能。 2. 研究目的与意义; 对于高效率CIGS薄膜太阳来说,更多的研究注重于CIGS吸收层材料以及CIGS和各种缓冲层材料界面之间的制备和研究,而反应磁控溅射的ZnO窗口层材料在CIGS中的应用的系统研究则相对较少。在高性能CIGS薄膜太阳中,双层结构的ZnO薄膜具体的物理机理和相应的材料参数要求并不是十分清楚。事实上,反应溅射的ZnO薄膜可以在三种模式下沉积获得,因此其材料特性包括光电特性、表面结构、沉积速率、入射粒子能量等能够在比较宽的范围内变化,这对于器件性能的系统研究具有重要的意义。本课题采用反应磁控溅射制备获得不同属性的双层ZnO薄膜应用于CIGS薄膜太阳电池中,可以系统、深入地研究i-ZnO/ZnO:Al薄膜在CIGS薄膜太阳电池中的作用以及相应的能带关系、界面特性和载流子的输运特性,从而进一步提高电池性能。另外,采用反应磁控溅射方法制备的ZnO薄膜的应用可以大大降低材料的制备成本,有利于CIGS薄膜太阳电池的产业化发展。同时,ZnO薄膜的反应磁控溅射技术的工艺开发有利于它在更广泛的光电材料和器件领域的应用和发展。 3. 主要论点与论据; 系统地研究了采用反应磁控溅射技术在不同工艺条件（如工作气压、氧分压、不同掺杂浓度的靶等）下制备的ZnO:Al薄膜的各种材料特性如沉积速率、光电特性、表面形貌、晶体结构、化学成分以及与工艺参数之间的相互关系。同时,将反应磁控溅射制备的ZnO:Al薄膜材料应用于共蒸发工艺的CIGS薄膜太阳电池中作为窗口层,系统研究了ZnO:Al的光电特性与CIGS薄膜太阳电池中间的关系和影响,从而更加深入地理解反应溅射沉积条件对ZnO:Al的材料性能的影响和控制以及隐含的物理机理。 结果表明,所有沉积条件决定应溅射过程的工作点或者反应溅射区域（沉积过程主要在过渡区）,而这些工作点也同时决定着制备的ZnO:Al薄膜的材料特性。重点指出的是,高Al含量的Zn:Al在过渡区工作点的溅射过程中需要更低的氧气（或者氧分压）,同时制备的ZnO:Al薄膜具有更低的沉积速率,这与沉积过程中形成的AlOx有关。高氧分压条件下制备的ZnO:Al薄膜具有高的光透过率,有效地提高CIGS薄膜太阳电池的光生电流和开路电压以及相应光电转换效率。尽管如此,过高的氧分压下制备的ZnO:Al薄膜具有高的电阻率,从而将降低CIGS薄膜太阳电池的电池收集即填充因子,此种效果将在无金属栅线电极的CIGS薄膜太阳电池组件中尤其突出,因此在实际应用过程中需要通过优化工艺条件平衡制备的ZnO:Al的光学和电学特性,以及最大化提高电池的效率。本课题的研究不仅为ZnO:Al材料的制备和研究提供了新的更加完备的研究数据和技术基础,同时也为TCO材料的选择提供了种类和参考。完备的反应溅射ZnO:Al薄膜的研究也为CIGS薄膜太阳电池的研究提供了理论和实践基础。 4. 创见与创新; 阴极处的极化电压与阴极靶表面的状态具有十分密切的关系。ZnO薄膜制备过程中采用闭环气体控制系统来调控工艺过程和材料特性,即通过从连入阴极处的直流（DC）电源的电压信号来控制进入的氧气流量,从而精细而有效地控制反应溅射工作点。相对于其它的反应溅射控制方式,采用靶电压信号控制氧分压从而控制反应溅射工作点的方式具有更加简单直接的优点。本课题的研究在氧化物薄膜材料的制备技术方面具有一定的先进性和创新性,同时也为新型材料的制备提供了新的途径和材料性能优化方向。 5. 社会经济效益,存在的问题; 依托于本课题,我们重点开展反应溅射的ZnO:Al薄膜在CIGS薄膜太阳电池中的应用研究,同时在CIGS薄膜太阳电池的其他功能层材料方面也做了深入系统的研究,从而从电池的整个结构和功能材料以及界面方面进行全面优化,提升电池的效率。到目前为止,本研究获得了最高效率为18.2%的CIGS薄膜太阳电池。通过反应溅射工艺条件和ZnO:Al的材料特性的后续优化将进一步提升CIGS薄膜太阳电池的转换效率。本课题的研究为ZnO薄膜材料的制备提供了技术基础和更先进的技术途径,同时也为推动CIGS薄膜太阳电池在内的多类太阳电池的产业化进一步发展提供了更多的技术支撑和保障。 6. 历年获奖情况; 无。