電沉積法制備CIGS薄膜電池工藝研究 項(xiàng)目申請(qǐng)書

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1、 一、項(xiàng)目背景及研究意義 進(jìn)入21世紀(jì)，隨著化石燃料的消耗進(jìn)一步加劇，有限的化石能源儲(chǔ)量與大量的能源需求之間的矛盾日益加劇。太陽(yáng)能作為一種清潔，可再生的一次能源，得到了人們的關(guān)注與研究。太陽(yáng)能電池技術(shù)正是在這種情況下，作為一種有效利用太陽(yáng)能的手段而出現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)的。 太陽(yáng)能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。根據(jù)材料的不同，太陽(yáng)能電池可以分為：1、晶體硅太陽(yáng)能電池；2、硅基薄膜太陽(yáng)能電池；3、化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池4納米薄膜太陽(yáng)能電池。不論以何種要求來(lái)制作太陽(yáng)能電池，對(duì)太陽(yáng)能電池材料的一般要求有：1、半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；2、要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3、材

2、料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。 在傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池材料中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高， 技術(shù)也最為成熟,電池轉(zhuǎn)化效率可達(dá)23%。由于單晶硅太陽(yáng)能電池的高轉(zhuǎn)換效率，其在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，薄膜太陽(yáng)能電池日益得到重視與發(fā)展。 薄膜太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)很早，但由于光電轉(zhuǎn)換效率低、衰減率（光致衰退率）較高等問題，前些年未引起業(yè)界的足夠關(guān)注，市場(chǎng)占有率很低。隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步，光電轉(zhuǎn)換效率得到迅速提

3、高，雖然仍然與晶體硅電池相比有很大差距，但其用料少、工藝簡(jiǎn)單、能耗低，成本有一定優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越被業(yè)界所接受。 近年來(lái)一種既具有高轉(zhuǎn)化效率，又具有比較低的制作成本，的化合物薄膜電池材料得到了研究和應(yīng)用，這種電池就是以銅銦鎵硒為吸收層的薄膜太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)稱為CIGS電池。其典型結(jié)構(gòu)為:Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。 CIGS電池具有性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)化率接近于晶體硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，成本卻是其1/3。相對(duì)于已有的硅薄膜太陽(yáng)能電池，CIGS還具有一下有點(diǎn)：1、CIGS的薄膜晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵更穩(wěn)定，而且未發(fā)現(xiàn)光致衰退效應(yīng)，因而其壽命更長(zhǎng)；2、CIG

4、S可以在玻璃基板上形成缺陷少，高品質(zhì)的大晶粒，而且CIGS在薄膜太陽(yáng)能電池的制作過程中不存在污染性化學(xué)物質(zhì)。正是因?yàn)樾阅軆?yōu)異，CIGS電池被國(guó)際上稱為下一代的廉價(jià)太陽(yáng)能電池，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 目前，CIGS的制備方法主要為真空蒸發(fā)法、濺射法和電沉積法。真空蒸發(fā)法較為傳統(tǒng)的方法，在制作過程中能有效的控制薄膜成分。電沉積法是一種低溫沉積法，且是一種最具有潛力的低成本制備CIGS先驅(qū)薄膜的方法，在制備過程中可以有效控制薄膜厚度、化學(xué)組結(jié)構(gòu)及孔隙率，而且設(shè)備投資少、原材料利用率高、工藝簡(jiǎn)單、易于操，但要通過該方法制備理想的具有復(fù)雜組成的薄膜材料較為困難。濺射法一般通過濺射CuIn和CuGa合金薄

5、膜預(yù)制層，然后硒化制得。 目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池已經(jīng)非常重視，投入了大量資金進(jìn)行研究，尤其是日本、美國(guó)、德國(guó)的研究水平已處于世界領(lǐng)先，并已經(jīng)達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)水平，且性能和品質(zhì)也在不斷提高。美國(guó)可再生的能源實(shí)驗(yàn)室制備的小面積CIGS太陽(yáng)能電池的最高光轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到19.2%。日本昭和殼牌室友公司已經(jīng)完成技術(shù)開發(fā)，并建設(shè)了10-20MW級(jí)生產(chǎn)線。中國(guó)作為一個(gè)能源消耗大國(guó)，應(yīng)該加快對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的研究步伐，利用這一性能優(yōu)越的太陽(yáng)能電池材料，緩解能源壓力，并降低太陽(yáng)能電池制作和銷毀過程中對(duì)環(huán)境的影響。 二、項(xiàng)目研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容 研究目標(biāo) 1. 采用低溫電沉積制備

6、出金屬比率已確定的先驅(qū)體，再在高溫下對(duì)先驅(qū)體進(jìn)行硒化或熱處理，得到質(zhì)量較高的CIGS薄膜電池。 2. 探索最優(yōu)化的CIGS薄膜電池的制備工藝參數(shù)，明確合成工藝參數(shù)對(duì)合成產(chǎn)物，電學(xué)性能的影響。 3. 在制備CIGS薄膜的過程中，探索Ga元素含量對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)化率的影響，期望得到更高的光電轉(zhuǎn)化率。 研究?jī)?nèi)容 1. 在水溶液中電沉積法制備Cu-In-Ga-Se前驅(qū)體薄膜的電化學(xué)過程進(jìn)行分析。 2. 通過XRD分析不同沉積電壓、絡(luò)合劑檸檬酸鈉濃度、離子配比濃度對(duì)電沉積Cu-In-Ga-Se前驅(qū)體薄膜的影響。 3. 總結(jié)其影響規(guī)律為電沉積參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)，設(shè)計(jì)沉積參數(shù)，以檸檬酸鈉為絡(luò)合劑

7、制備Cu-In-Ga-Se前驅(qū)體薄膜。 4. 利用XRD，SEM，EDAX等微觀分析手段，對(duì)CIGS薄膜的結(jié)構(gòu)，組成，表面形貌進(jìn)行分析． 三、項(xiàng)目研究的實(shí)施方案及擬采取的研究方法和技術(shù)路線 研究方法 1鉬和不銹鋼薄片的表面處理 其表面處理過程如下： 2 CIGS前驅(qū)體薄膜前驅(qū)體的電沉積制備 實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的二電極直流電源系統(tǒng)，以鉑網(wǎng)為陽(yáng)極，鉬或不銹鋼薄片為陰極，以0．012～0．025M氯化銅、0．025～0．125M三氯化銦、O．025～0．125M亞硒酸、0．025～0．25M三氯化鎵(硝酸鎵)的溶液為電沉積液，在不攪拌的情況下一步恒電壓沉積，沉積時(shí)間為10m

8、in，沉積得到的前驅(qū)體用N2氣吹干。 3 CIGS前驅(qū)體薄膜的熱處理 電沉積獲得的CIGS前驅(qū)體薄膜放入管式爐中，在Ar氣保護(hù)氣氛下，以10℃每分鐘的升溫速度升溫至450℃并保溫30min，保溫結(jié)束后切斷電源，隨爐自然慢冷；冷卻到低于50℃時(shí)，關(guān)閉Ar氣，開爐取樣。 4 薄膜的性能測(cè)試 4.1薄膜的X射線衍射物相分析 XRD衍射儀對(duì)電沉積制備的CIGS 4.2薄膜的SEM分析 采用SEM技術(shù)對(duì)CIGS薄膜的形貌、粒度大小及其分布情況進(jìn)行分析表征 4.3薄膜的成分分析 采用EDAX技術(shù)測(cè)定ClGS薄膜的組成元素分布和均勻性，結(jié)合電鏡形貌較準(zhǔn)確的

9、判定相關(guān)微區(qū)結(jié)構(gòu)的成分，通過計(jì)算獲得各組成成分的相對(duì)含量。 5 分析薄膜物相組成的影響因素 5.1沉積的電壓的影響 5.2檸檬酸鈉濃度的影響 5.3離子的濃度配比的影響 6 總結(jié)其影響規(guī)律，為電沉積參數(shù)調(diào)整提供依據(jù) 技術(shù)路線 四、項(xiàng)目研究基礎(chǔ)和項(xiàng)目的可行性分析 CIGS薄膜電池的電沉積法是一種低溫沉積法，且是一種最具有潛力的低成本制備CIGS先驅(qū)薄膜的方法，在制備過程中可以有效控制薄膜厚度、化學(xué)組結(jié)構(gòu)及孔隙率，而且設(shè)備投資少、原材料利用率高、工藝簡(jiǎn)單、易于操作，但要通過該方法制備理想的具有復(fù)雜組成的薄膜材料較為困難。而本文就是要著手解決不同沉積

10、電壓、絡(luò)合劑檸檬酸鈉濃度、離子配比濃度對(duì)電沉積Cu-]n-Ga-Se前驅(qū)體薄膜的影響，以期制得最優(yōu)化參數(shù)的電沉積CIGS前驅(qū)體薄膜。 由于電沉積CIGS前驅(qū)體薄膜已有較為豐富的理論支持和所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)路線采用閉路反饋方式研究，思路清晰，實(shí)際實(shí)施前景明朗，具有重要的研究和開發(fā)價(jià)值。 五、本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處（50字以內(nèi)） 1. 采用低溫非真空鍍膜法，降低了成本、能耗和設(shè)備要求。 2. 采用一步電沉積法，生產(chǎn)效率高，制備流程短。 3. 基體材料可使用柔性材料，應(yīng)用范圍廣泛。 六、項(xiàng)目預(yù)期成果： 通過本論文工作階段的研究，采用的低溫電沉積法，制備CIGS薄膜先驅(qū)體，再在高溫下對(duì)

11、其進(jìn)行硒化或熱處理得到最終的CIGS薄膜電池，探索性能最優(yōu)的CIGS薄膜電池的制備工藝參數(shù)，建立材料制備工藝，結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行改性研究，以期得到更好性能的太陽(yáng)能電池。 八、參考文獻(xiàn) 【1】 郭杏元等，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池吸收層制備工藝綜述，真空與低溫 2008 14，p125-133 【2】 張曉科等，CIGS太陽(yáng)能電池的低成本制備工藝，電源技術(shù) 2005 29，p849-852 【3】 白利鋒等，電沉積銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展，材料導(dǎo)報(bào) 2010 24，p256-258 【4】 李建軍等，CIS(CIGS)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展，能源技術(shù) 2005 26，p164-167 【5】李建軍，CIGS太陽(yáng)電池材料電沉積法制備過程研究，桂林工學(xué)院碩士學(xué)位論文，2006 4 【6】龐來(lái)學(xué)等，薄膜太陽(yáng)電池CIGS吸收層低成本制備- 電沉積工藝研究，陶瓷學(xué)報(bào) 2010 31，p523-528 【7】吳世彪等，電沉積法制備CIGS薄膜的工藝研究，安徽化工 2007 31 p32-34 【8】武漢市"十一五"科技發(fā)展規(guī)劃綱要