不同成分比例CIGS薄膜及太阳电池的快速退火

研究了110~180 ℃（2 min）下的快速热退火对Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜特性及CIGS太阳电池性能的影响.结果表明：对于不同成分比例的CIGS（正常、富Cu、高Ga）电池来说,150 ℃,2 min的快速退火最利于电池性能及二极管特性的增加.其中,退火对富Cu电池的开路电压Voc改善最大,这是因为快速热退火对消除部分CIGS薄膜中的CuSex有积极作用,从薄膜的电阻率有少量提高,器件的短路电流Jsc有少量下降可以得到验证|而对于高Ga电池来说,填充因子FF的改善最大,这是因为高Ga样品的缺陷较多,退火会消除薄膜内部的部分缺陷,从而薄膜的迁移率及Jsc都有所提高,使得FF有较大的增加.     

不同环境下硫化镉/铜基薄膜异质结退火对太阳电池性能调控

高效铜基薄膜太阳电池通常采用无机n型半导体材料CdS作为缓冲层,因此,缓冲层与吸收层之间的界面质量和能带匹配对载流子的收集利用至关重要.在优化CdS基础工艺的基础上,在含硫气氛下对硫化镉/铜基薄膜异质结进行退火的策略进一步提高CdS薄膜质量,并将其应用到铜基太阳电池,调控铜基薄膜电池p-n异质结能带匹配.研究表明, CdS薄膜在含硫的惰性气氛中退火可以有效提高CdS薄膜的结晶质量并抑制CZTS/CdS异质结界面的非辐射复合,器件的开路电压得到大幅提升,最高可达718 mV.在器件效率方面,基于溅射法的CZTS太阳电池效率从3.47%提升到5.68%,约为不退火处理的2倍.该研究为铜基薄膜太阳电池器件实现高开路电压提供了可靠的工艺窗口.同时,有力地说明了退火气氛选择对于CdS质量以及CZTS/CdS异质结能带匹配的重要性,除了界面互扩散以外,对薄膜材料组分及其结晶性等均实现了调控.     

快速退火对PLD法制备SnS薄膜结构和光学性质的影响

利用脉冲激光沉积(PLD)法在玻璃基片上室温生长SnS薄膜,并在Ar气保护下分别在200,300,400,500,600℃对薄膜进行快速退火处理。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、原子力显微镜(AFM)、场发射扫描电子显微镜( FE-SEM)、紫外-可见-近红外分光光度计( UV-Vis-NIR)、Keithley 4200-SCS半导体参数分析仪研究了快速退火温度对SnS薄膜的晶体结构、表面形貌以及有关光学性质和电学性能的影响。所制备的SnS薄膜样品沿(111)晶面择优取向生长,退火温度为400℃时的薄膜结晶质量最好。薄膜均具有SnS特征拉曼峰。随着退火温度的升高,薄膜厚度逐渐减小,而平均颗粒尺寸逐渐增大。不同退火温度下的SnS薄膜在可见光范围内的吸收系数均为105 cm-1量级,400℃时退火薄膜的直接带隙为1.92 eV。随着退火温度从300℃升高到500℃,电阻率由1.85×104Ω·cm下降到14.97Ω·cm。     

退火温度及退火气氛对ZnO薄膜的结构及发光性能的影响

采用脉冲激光沉积技术在Si/蓝宝石衬底上制备了ZnO薄膜,结合快速退火设备研究了不同退火温度(500~900℃)及退火气氛(N2,O2)对薄膜的结构及其发光性能的影响。并优化条件得到具有最小半峰全宽及最大晶粒尺寸的薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明:氮气氛下退火的ZnO薄膜最佳退火温度为900℃;氧气氛下退火的ZnO薄膜最佳退火温度为800℃。红外(IR)光谱中,退火后Zn-O特征振动峰红移,说明在退火过程中,原子重新排布后占据较低能量位置;同样的退火温度下,氮气氛下退火的薄膜质量更优。同步辐射光电子能谱(synchrotron-based XPS)分别表征了未退火及N2,O2下900℃退火的ZnO薄膜,分峰拟合结果表明氧气氛下退火产生更多的氧空位。结构表征结合光致发光(PL)谱表明绿光的发光峰与氧空位有关。     

退火气氛对氧化镓薄膜结构及特性的影响

通过溶液法在石英玻璃衬底上制备氧化镓(Ga₂O₃)薄膜,研究氮气、空气和氧气气氛退火的Ga₂O₃薄膜的结构、光学特性、缺陷能级与电学特性。结果表明,氮气气氛退火的Ga₂O₃薄膜的形貌组织最致密均匀且最厚,氧气气氛退火的薄膜结晶度最优。所有样品在可见光区的平均透光率均高于80%,且在260 nm附近都出现陡峭的吸收边,在190 nm处透光率均低于10%,氮气、空气和氧气气氛退火的Ga₂O₃薄膜的禁带宽度分别为5.10 e V、5.07 e V和5.18 e V。氮气、空气、氧气气氛退火的样品在蓝-紫外波段的光致发光强度依次降低。根据光致发光谱分析Ga₂O₃薄膜缺陷能级,Ga₂O₃的施主能级到导带的距离随着禁带宽度值的增大而增大。氮气、空气、氧气气氛退火的样品电阻依次增大。本文实验中最优退火气氛为氮气。     

利用快速退火法从非晶硅薄膜中生长纳米硅晶粒

报道了一种从非晶硅薄膜中生长纳米硅晶粒的方法。含氢非晶硅薄膜经过快速热退火处理后，用拉曼散射和X射线衍射技术对样品进行分析。实验结果表明：纳米硅晶粒不但能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着热退火过程中升温快慢而变化。在升温过程中，若单位时间内温度变化量较大（－100℃/s），则所形成纳米硅粒较小（1．6－15nm）； 若单位时间内温度变化量较低（－1℃/s），则纳米硅粒较大（23－46nm）。根据晶体生长理论和计算机模拟，讨论了升温快慢与所形成的纳米硅颗粒大小的关系。     

Stage2沉积速率对低温生长CIGS薄膜特性及器件的影响

研究了三步法第二步沉积速率对低温生长Cu(In,Ga)Se₂薄膜结构、 电学特性和器件特性的影响. 通过改变第二步沉积速率发现, 提高沉积速率可以显著促进薄膜晶粒生长, 提高晶粒紧凑程度降低晶界复合, 同时有效改善两相分离现象, 提高电池的开路电压和短路电流, 有助于Cu(In,Ga)Se₂电池光电转换效率的提高. 但同时研究表明, 随着第二步沉积速率的增加, 会促进暂态Cu_2-xSe晶粒的生长, 引起Cu(In,Ga)Se₂薄膜表面粗糙度增大, 并阻碍Na向Cu(In,Ga)Se₂薄膜表面的扩散, 造成施主缺陷钝化效应降低, 薄膜载流子浓度下降和电阻率升高, 且过高的沉积速率会引起电池内部复合增加并产生分流路径, 造成开路电压下降进而引起电池效率恶化. 最终, 通过最佳化第二步沉积速率, 在衬底温度为420℃时, 得到最高转换效率为11.24%的Cu(In,Ga)Se₂薄膜太阳电池.     

退火处理对磁控溅射制备LaCoO_3薄膜性能的影响

采用磁控溅射法在硅衬底上制备了LaCoO_3(LCO)薄膜,研究了退火温度对LCO薄膜组织结构、表面形貌及热电特性的影响,并利用X射线衍射仪、原子力显微镜(AFM)、激光导热仪等对LCO薄膜的晶体结构、表面形貌、热扩散系数等进行测量与表征.结果表明:退火温度对LCO薄膜的结晶度、晶粒尺寸和薄膜表面形貌都有较大影响;退火前后LCO薄膜的热扩散系数都随温度的升高而减小,且变化速率逐渐减缓; LCO薄膜的热扩散系数随退化温度的升高先增大后减小.LCO薄膜经过700℃退火后得到最佳的综合性能,其薄膜表面致密、平整,结晶质量最好,热扩散系数最小,热电性能最好.     

退火温度对旋涂法制备SnO_2薄膜性能的影响

采用旋涂法在玻璃基底上制备SnO_2薄膜,通过原子力显微镜(AFM)、X射线反射(XRR)、傅氏转换红外线光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见分光光度计、四探针、开尔文探针系统对薄膜的表面形貌、结构及光学特性、电学特性进行分析,探讨了退火温度对薄膜质量的影响及作用机制。研究发现:随着退火温度升高,薄膜厚度和有机成分杂质减小,薄膜密度递增,但薄膜表面粗糙度有所上升;当退火温度升高至500℃时,薄膜结构由非晶转变为结晶,其主要晶面为氧化锡的(110)、(101)和(211)晶面。旋涂法制备的氧化锡薄膜在可见光区域的平均透光率在90%以上,随着退火温度上升,薄膜在400～800 nm波段的透光率先减小后增大,薄膜的带隙宽度分别为3. 840 eV(沉积态薄膜)、3. 792 eV(100℃)、3. 690 eV(300℃)和3. 768eV(500℃);薄膜的电导率也随着退火温度升高而增加,在500℃时电导率高达916 S/m;薄膜的功函数先增大后减小,分别为(4. 61±0. 005) eV(沉积态薄膜)、(4. 64±0. 005) eV(100℃)、(4. 82±0. 025) eV(300℃)、(4. 78±0. 065) eV(500℃)。     

退火对ZnO薄膜结构及发光特性的影响

生长在蓝宝石C面上的ZnO薄膜是通过等离子体金属有机物化学汽相淀积方法获得的，由其X光衍射得知，生长过程中分段退火和最后退火在薄膜中分别引入了张应力和压应力。通过对样品光致发光光谱研究表明：分段退火样品在380nm附近出现了单一激子发射峰，而最后退火样品却出现了与应变有关的Γ5和Γ6两激子发射峰，同时在两者的光致发光光谱中与深能级有关的荧光峰都未出现。     

电沉积Cu(In,Ga)Se_2预置层硫化退火制备Cu(In,Ga)(Se,S)_2薄膜及表征

在550℃下的H2S气氛中退火处理电沉积制备的Cu(In,Ga)Se2(CIGS)预置层,制备了太阳电池光吸收层Cu(In,Ga)(Se,S)2(CIGSS)薄膜.采用X射线能量色散谱、俄歇电子能谱、扫描电镜、X射线衍射和拉曼光谱对退火前后的薄膜进行表征.结果表明,H2S气氛下退火能够实现薄膜中O的去除和S的掺入,同时使得各元素的纵向分布更加均匀并可消除Cu-Se微相.此外,H2S退火还可改善薄膜的结晶性能,并使S和Ga进入黄铜矿结构,薄膜晶格参数变小.     

Efficiency enhancement of Cu(In,Ga)Se2 thin‐film solar cells by a post‐deposition treatment with potassium fluoride

Alkali‐free Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) absorbers grown on Mo‐coated alumina (Al₂O₃) substrates were doped with potassium (K) after CIGS growth by a potassium fluoride (KF) post‐deposition treatment (PDT). The addition of K to the absorber leads to a strong increase in cell efficiency from 10.0% for the K‐free cell to 14.2% for the K‐doped cell, mainly driven by an increase in the open‐circuit voltage V_oc and the fill factor FF, and to an increase in the net charge carrier density. Hence K doping by KF‐PDT is comparable to doping with Na.

     

A new method of generating Ga slope in Cu(In,Ga)Se2 film by controlling Se content in a multi-stacked precursor

An appropriate Ga slope is required in Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) film to enhance the cell performance of CIGS thin-film solar cells. In the conventional three-stage-co-evaporation process, the Ga slope was obtained by controlling Ga/In flux during deposition process. However, in two-step process, where a precursor was deposited first and then annealed in a Se environment for mass production, the desirable Ga slope was not achievable with the Ga/In flux control. We observed that the Ga/(Ga + In) ratio was nearly flat in CIGS film for Se-rich precursor and the ratio was nearly zero at surface and very high on bottom side of CISG film for Se-deficient precursor. We were able to generate a CIGS film with a Ga non-zero Ga surface and desired slope in the bulk by devising a precursor with Se-rich layer on top and Se-deficient layer on bottom, resulting in the enhancement of Cell performance.     

Cu元素对Cu(In,Ga)Se_2薄膜及太阳电池的影响

Cu元素成分对Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)薄膜材料的电学性质及其电池器件性能有很重要的影响.本文利用蒸发法制备了贫Cu和富Cu的CIGS吸收层(0.7Cu/(Ga+In)1.15)及相应的电池器件.扫描电镜和Hall测试发现,富Cu材料的结构特性(晶粒大、结晶状态好)和电学特性(电阻率低、迁移率高等)优于贫Cu材料,而性能测试表明贫Cu器件的效率优于富Cu器件.变温性能测试分析表明,贫Cu器件的主要复合路径是体复合,激活能与CIGS禁带宽度相当;富Cu器件的主要复合路径是界面复合,其激活能远小于CIGS禁带宽度,这大大降低了开路电压Voc,从而降低了电池效率.最后利用蒸发三步法制备了体材料稍富Cu表面贫Cu的CIGS吸收层,降低了短路电流和开路电压的损失,获得了超过15%的电池效率.     

Performance improvement of CdS/Cu（In,Ga）Se2 solar cells after rapid thermal annealing

In this paper, we investigated the effect of rapid thermal annealing (RTA) on solar cell performance. An opto-electric conversion efficiency of 11.75% (Voc=0.64 V, Jsc = 25.88mA/cm2 , FF=72.08%) was obtained under AM 1.5G when the cell was annealed at 300℃ for 30s. The annealed solar cell showed an average absolute efficiency 1.5% higher than that of the as-deposited one. For the microstructure analysis and the physical phase confirmation, X-ray diffraction (XRD), Raman spectra, front surface reflection (FSR), internal quantum efficiency (IQE), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were respectively applied to distinguish the causes inducing the efficiency variation. All experimental results implied that the RTA eliminated recombination centers at the p-n junction, reduced the surface optical losses, enhanced the blue response of the CdS buffer layer, and improved the ohmic contact between Mo and Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) layers. This leaded to the improved performance of CIGS solar cell.     

低温超薄高效Cu(In,Ga)Se2太阳电池的实现

衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂ (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In_0.5Ga_0.5)Se₂以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度J_SC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度T_sub低于300 ℃时, 开路电压V_OC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. T_sub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%. 关键词： 2薄膜')" href="#">Cu(In,Ga)Se₂薄膜 衬底温度 超薄 太阳电池