电沉积法制备CIGS薄膜电池工艺研究 项目申请书

一、项目背景及研究意义进入21世纪，随着化石燃料的消耗进一步加剧，有限的化石能源储量与大量的能源需求之间的矛盾日益加剧。太阳能作为一种清洁，可再生的一次能源，得到了人们的关注与研究。太阳能电池技术正是在这种情况下，作为一种有效利用太阳能的手段而出现并发展起来的。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。根据材料的不同，太阳能电池可以分为：1、晶体硅太阳能电池；2、硅基薄膜太阳能电池；3、化合物半导体薄膜太阳能电池4纳米薄膜太阳能电池。不论以何种要求来制作太阳能电池，对太阳能电池材料的一般要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；2、要有较高的光电转换效率；3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业生产且材料性能稳定。在传统太阳能电池材料中，单晶硅太阳能电池转换效率最高， 技术也最为成熟,电池转化效率可达23%。由于单晶硅太阳能电池的高转换效率，其在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，薄膜太阳能电池日益得到重视与发展。薄膜太阳能电池的出现很早，但由于光电转换效率低、衰减率（光致衰退率）较高等问题，前些年未引起业界的足够关注，市场占有率很低。随着其技术的不断进步，光电转换效率得到迅速提高，虽然仍然与晶体硅电池相比有很大差距，但其用料少、工艺简单、能耗低，成本有一定优势，越来越被业界所接受。 近年来一种既具有高转化效率，又具有比较低的制作成本，的化合物薄膜电池材料得到了研究和应用，这种电池就是以铜铟镓硒为吸收层的薄膜太阳能电池，简称为CIGS电池。其典型结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。CIGS电池具有性能稳定、抗辐射能力强等优势，转化率接近于晶体硅太阳能电池的转换效率，成本却是其1/3。相对于已有的硅薄膜太阳能电池，CIGS还具有一下有点：1、CIGS的薄膜晶体结构和化学键更稳定，而且未发现光致衰退效应，因而其寿命更长；2、CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷少，高品质的大晶粒，而且CIGS在薄膜太阳能电池的制作过程中不存在污染性化学物质。正是因为性能优异，CIGS电池被国际上称为下一代的廉价太阳能电池，具有广阔的市场前景。目前，CIGS的制备方法主要为真空蒸发法、溅射法和电沉积法。真空蒸发法较为传统的方法，在制作过程中能有效的控制薄膜成分。电沉积法是一种低温沉积法，且是一种最具有潜力的低成本制备CIGS先驱薄膜的方法，在制备过程中可以有效控制薄膜厚度、化学组结构及孔隙率，而且设备投资少、原材料利用率高、工艺简单、易于操，但要通过该方法制备理想的具有复杂组成的薄膜材料较为困难。溅射法一般通过溅射CuIn和CuGa合金薄膜预制层，然后硒化制得。目前一些发达国家对CIGS薄膜太阳能电池已经非常重视，投入了大量资金进行研究，尤其是日本、美国、德国的研究水平已处于世界领先，并已经达到实际生产水平，且性能和品质也在不断提高。美国可再生的能源实验室制备的小面积CIGS太阳能电池的最高光转化效率已经达到19.2%。日本昭和壳牌室友公司已经完成技术开发，并建设了10-20MW级生产线。中国作为一个能源消耗大国，应该加快对CIGS薄膜太阳能电池的研究步伐，利用这一性能优越的太阳能电池材料，缓解能源压力，并降低太阳能电池制作和销毁过程中对环境的影响。二、项目研究目标和研究内容研究目标1. 采用低温电沉积制备出金属比率已确定的先驱体，再在高温下对先驱体进行硒化或热处理，得到质量较高的CIGS薄膜电池。2. 探索最优化的CIGS薄膜电池的制备工艺参数，明确合成工艺参数对合成产物，电学性能的影响。3. 在制备CIGS薄膜的过程中，探索Ga元素含量对电池的光电转化率的影响，期望得到更高的光电转化率。研究内容1. 在水溶液中电沉积法制备Cu-In-Ga-Se前驱体薄膜的电化学过程进行分析。2. 通过XRD分析不同沉积电压、络合剂柠檬酸钠浓度、离子配比浓度对电沉积Cu-In-Ga-Se前驱体薄膜的影响。3. 总结其影响规律为电沉积参数调整提供依据，设计沉积参数，以柠檬酸钠为络合剂制备Cu-In-Ga-Se前驱体薄膜。4. 利用XRD，SEM，EDAX等微观分析手段，对CIGS薄膜的结构，组成，表面形貌进行分析三、项目研究的实施方案及拟采取的研究方法和技术路线研究方法1钼和不锈钢薄片的表面处理其表面处理过程如下：2 CIGS前驱体薄膜前驱体的电沉积制备 实验采用简单的二电极直流电源系统，以铂网为阳极，钼或不锈钢薄片为阴极，以00120025M氯化铜、00250125M三氯化铟、O0250125M亚硒酸、0025025M三氯化镓(硝酸镓)的溶液为电沉积液，在不搅拌的情况下一步恒电压沉积，沉积时间为10min，沉积得到的前驱体用N2气吹干。3 CIGS前驱体薄膜的热处理 电沉积获得的CIGS前驱体薄膜放入管式炉中，在Ar气保护气氛下，以10每分钟的升温速度升温至450并保温30min，保温结束后切断电源，随炉自然慢冷；冷却到低于50时，关闭Ar气，开炉取样。4 薄膜的性能测试 4.1薄膜的X射线衍射物相分析 XRD衍射仪对电沉积制备的CIGS 4.2薄膜的SEM分析 采用SEM技术对CIGS薄膜的形貌、粒度大小及其分布情况进行分析表征 4.3薄膜的成分分析 采用EDAX技术测定ClGS薄膜的组成元素分布和均匀性，结合电镜形貌较准确的判定相关微区结构的成分，通过计算获得各组成成分的相对含量。5 分析薄膜物相组成的影响因素 5.1沉积的电压的影响 5.2柠檬酸钠浓度的影响 5.3离子的浓度配比的影响6 总结其影响规律，为电沉积参数调整提供依据技术路线四、项目研究基础和项目的可行性分析CIGS薄膜电池的电沉积法是一种低温沉积法，且是一种最具有潜力的低成本制备CIGS先驱薄膜的方法，在制备过程中可以有效控制薄膜厚度、化学组结构及孔隙率，而且设备投资少、原材料利用率高、工艺简单、易于操作，但要通过该方法制备理想的具有复杂组成的薄膜材料较为困难。而本文就是要着手解决不同沉积电压、络合剂柠檬酸钠浓度、离子配比浓度对电沉积Cu-n-Ga-Se前驱体薄膜的影响，以期制得最优化参数的电沉积CIGS前驱体薄膜。由于电沉积CIGS前驱体薄膜已有较为丰富的理论支持和所需设备相对简单，技术路线采用闭路反馈方式研究，思路清晰，实际实施前景明朗，具有重要的研究和开发价值。五、本项目的创新之处（50字以内）1. 采用低温非真空镀膜法，降低了成本、能耗和设备要求。2. 采用一步电沉积法，生产效率高，制备流程短。3. 基体材料可使用柔性材料，应用范围广泛。六、项目预期成果：通过本论文工作阶段的研究，采用的低温电沉积法，制备CIGS薄膜先驱体，再在高温下对其进行硒化或热处理得到最终的CIGS薄膜电池，探索性能最优的CIGS薄膜电池的制备工艺参数，建立材料制备工艺，结构和电学性能之间的关系，对其进行改性研究，以期得到更好性能的太阳能电池。八、参考文献【1】 郭杏元等，CIGS薄膜太阳能电池吸收层制备工艺综述，真空与低温 2008 14，p125-133【2】 张晓科等，CIGS太阳能电池的低成本制备工艺，电源技术 2005 29，p849-852【3】 白利锋等，电沉积铜铟镓硒太阳能电池的研究进展，材料导报 2010 24，p256-258【4】 李建军等，CIS(CIGS)太阳能电池研究进展，能源技术 2005 26，p164-167【5】李建军，CIGS太阳电池材料电沉积法制备过程研究，桂林工学院硕士学位论文，2006 4【6】庞来学等，薄膜太阳电池CIGS吸收层低成本制备- 电沉积工艺研究，陶瓷学报 2010 31，p523-528【7】吴世彪等，电沉积法制备CIGS薄膜的工艺研究，安徽化工 2007 31 p32-34【8】武汉市十一五科技发展规划纲要