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CIGS薄膜太阳电池通常采用CBD-CdS作缓冲层,由于Cd有毒,而且CdS的禁带宽度较窄,因而采用宽带隙无毒材料代替CdS的研究被重视。
本论文选用CBD-ZnS薄膜替代CdS作为CIGS太阳电池缓冲层。其因为一是ZnS无毒、廉价、材料来源广,二是ZnS的带隙较宽,可以吸收更多高能光子,有利于提高太阳电池的转换效率。
首先在对CBD-ZnS的生长机理进行了初步探索的基础上,对影响CBD-ZnS薄膜生长的因素进行了系统的研究,包括反应物的配比、搅拌速度和沉积时间等对.ZnS薄膜的影响。结合对制备的ZnS薄膜的厚度、粗糙度、透过率、表面形貌等检测数据的分析,得出了ZnS薄膜的基础制备工艺条件。
第一步得到的基础制备工艺仍存在薄膜沉积时间过长、表面粘附物多的缺点,有待进一步改进和优化。优化工艺研究分为三部分:第一,通过在反应溶液中添加N2H4作为第二络合剂,显著地提升了薄膜的沉积速率。第二,通过在反应溶液中添加缓冲剂(NH4)2SO4,有效地抑制了溶液中同质反应的发生,在与无添加(NH4)2SO4工艺下制备.ZnS薄膜的SEM检测对比发现,添加(NH4)2SO4工艺下制备的ZnS薄膜表面粘附物明显减少。第三,研究了N2H4和(NH4)2SO4同时添加的工艺(简称为优化工艺),通过对ZnS薄膜厚度粗糙度和表面形貌的分析显示,在添加了NEH4和(NH4)2SO4的工艺条件下制备的ZnS薄膜,不但沉积速率显著提高,沉积时间得以缩短,从而减小了CIGS吸收层长时间在碱性溶液中浸泡导致的侵蚀伤害,同时有效地抑制了同质反应,粘附物减少,成膜表面洁净致密。薄膜的综合指标得到提升,满足了作为电池缓冲层的功能要求。
优化工艺制备的CIGS/ZnS太阳电池的光电转换效率达到9.85％。与同批吸收层用CBD-CdS作为缓冲层制备的电池效率相近。通过对CIGS/ZnS电池异质结能带结构、CIGS/ZnS和CIGS/CdS两种不同结构的电池性能参数进行对比分析,得出CIGS/ZnS电池性能通常低于CIGS/CdS结构电池的因为,为进一步提高电池效率指出了研究方向。