cdzntecds薄膜太阳能电池的制备.doc

密 级公开学 号101557毕 业 设 计（论 文）CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池的制备院（系、部）：材料科学与工程姓 名：刘志军年 级：材101专 业：材料科学与工程指导教师：曾冬梅教师职称：讲师 2014年 06月06日·北京北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池的制备系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称：材料科学与工程学院 作者签名：刘志军 学 号：101557 2014年6月北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部） 材料系 专业 材料科学与工程 班级 材101学生姓名 刘志军 指导教师/职称 曾冬梅/讲师 1.毕业设计（论文）题目CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池的制备2.任务起止日期： 2014 年 2 月 17 日 至 2014 年 5 月 30 日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）CdZnTe是一种性能优异的新型II-VI族化合物半导体。CdZnTe晶体具有闪锌矿结构，它是由Cd（Zn）和Te原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移四分之一对角线长度而构成。CdZnTe（简称为CZT）薄膜是近年发展起来的一种性能优异的新型半导体材料。由于其电阻率高、原子序数大、量子效率高、电荷传输性能优异及禁带宽度大等物理特性，可广泛应用于天文、医学、工业、军事和薄膜太阳能电池等领域。与CdTe/CdS薄膜太阳能电池相比，CdZnTe薄膜缺陷少，且电学性能高，因此，CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池具有巨大的发展潜力。本课题主要通过超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜设备制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池，并通过查找相关的资料和必要的试验，对所制备的太阳能电池进行检测分析对比，通过研究所制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池的性能，改进制备的工艺，提高太阳能电池的效率。通过本课题的研究，培养学生查询收集文献资料和外文翻译的能力，写出一篇论文综述，翻译一定数量的外文资料（20000个英文字符）；查阅中英文文献（20-40篇）。预期培养目标：通过一学期完成毕业设计论文的过程，得到一篇有学术价值的论文，以便今后应用于生产实际。最终提交材料：文献综述、外文资料的翻译文稿（含原文）、毕业论文。4. 主要参考文献 1 韦永林.碲锌镉探测器的制备及性能研究.成都:四川大学,2005. 2 Sellin P J.Thick flim compound semiconductors for X-ray imaging applicationsJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2006,563:1-8. 3 James R B,Schiratio R C. Hard X-ray,gamma-ray and neutron detector physicsC. Colorado:Proceedings of SPIE-the International Societyfor Optical Engineering,1999. 4 Brinkman A W 1994Properties of Narrow Gap Cadmium-Based Compoundsedited by P. Capper (IEE, London 1994),10591 5 Wei C, Lianghuan F, et al.Produce technology of CdTe thin film modules and design of manufacture lineJ.Photovoltaic Energy Conversion,2006,585 6 Cunningham D,Davies K,Grammond L et al.Large area Apollo module performance and reliability.In:28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference,2000,13 7 潘松海,周海,曾冬梅.铝诱导对磁控溅射制备CdZnTe薄膜结晶的影响.功能材料,2013年，44 卷（第 4 期）:1-3 8 R.S. Singha, V.K. Rangarib, S. Sanagapallia. Nano-structured CdTe, CdS and TiO2 for thin film solar cell applications Solar Energy Materials & Solar Cells 82 (2004) 315330.5.进度计划及指导安排1)2014.2.17-2014.2.28 理论基础知识学习，准备开题报告，确定模拟方案。2)2014.3.03-2014.3.14 纂写开题报告，进行开题报告。3)2014.3.17-2014.3.28 购买实验材料，加工处理靶材，确定实验参数4)2014.4.01-2014.5.09 制备CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池及测试分析。5)2014.5.12-2014.5.30 纂写毕业论文。6)2014.5.30-2014.6.10 准备答辩。任务书审定日期 2014年 2月 17日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 2014年 2月 18日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 2014年 2月 19日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 2014年 5 月 30日 学生（签字） 摘 要随着能源和环境问题的日益严重，人们对电能的需求量越来越大,开始日益关注于可再生能源的开发和应用。太阳能电池能够将可再生的太阳能转化成为人们所需的电能，因而，在过去的几十年中，太阳能电池得到了很快的发展。薄膜太阳能电池因其材料的消耗低、能制备大面积组件而且有利于工业化生产等优点，成为太阳能电池中迅速发展的一个分支。CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池是在CdTe/CdS薄膜太阳能电池基础上发展起来的一种新型的太阳能电池，本文主要讲述了利用磁控溅射法制备CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池。在不同的溅射功率、溅射时间、溅射压强和溅射温度条件下制备太阳能电池，通过紫外可见分光光度计和Keithley半导体性能测试系统对所制备的电池进行透射率和光电转换效率分析，进而研究出功率、时间、压强和温度对太阳能电池转换效率的影响，总结出最佳的组合制备出转换效率高的太阳能电池。关键词：太阳能电池，效率计算，磁控溅射AbstractAs the energetic and environmental problems become more serious, people 's demand for electric power is increasing. People are paying more and more attention to the development and application of the renewable energy. The solar cell can transform the solar energy into electric energy needed by the people. Therefore, the solar cell has gained a fast development in the past few decades. Because the thin film solar cells have the low material consumption, can produce large area assembly and is favorable for industrialized production and they have other advantages, the thin film solar cells become one of branches which are developingrapidly in the solar cell field.CdZnTe/CdS thin film solar cells is in CdTe/CdS thin film solar cells based on a new type of solar cells, this article mainly tells the story of CdZnTe prepared by magnetron sputtering method/CdS thin film solar cells.In different power, time, pressure and temperature under the condition of the preparation of solar cells, and by uv-vis spectrophotometer and Keithley semiconductor performance testing system for the preparation of the cell transmission rate and the photoelectric conversion efficiency analysis, and then study the power, time, pressure and temperature on the influence of the solar cell conversion efficiency, sums up the best combination of high conversion efficiency of solar cell is prepared.Keyword：Solar cells, efficiency of computation, magnetron sputtering目 录摘 要Abstract目 录第一章 文献综述11.1 引言11.2 太阳能电池介绍21.2.1太阳能电池的发展历程21.2.2太阳能电池的原理31.2.3太阳能电池的种类51.3 CZT简介71.4CZT薄膜的制备方法81.4.1磁控溅射法81.4.2进空间升华法（CSS）91.5 本文主要研究的内容及方法10第二章 实验设备及电池的制备112.1 磁控溅射112.1.1 磁控溅射的基本原理112.1.2 实验装置122.1.3 磁控与等离子束联合镀膜设备操作规程132.1.4 工艺流程142.1.5 工艺参数152.2 Keithley半导体特性分析系统简介152.2.1 Keithley 4200-SCS主要特点及优点172.2.2 Keithley 4200-SCS设备操作规程172.3 电池的制备182.3.1 窗口层材料182.3.2吸收层材料192.3.3背电极192.4 太阳能电池性能参数222.4.1 短路电流密度Jsc222.4.2 开路电压Voc222.4.3 填充因子FF222.4.4 太阳能电池的光电转化效率23第三章 太阳能电池性能分析243.1 CdZnTe薄膜溅射功率对电池性能的影响243.1.1 CdZnTe薄膜溅射功率对太阳能电池光学性能的影响243.1.2 CdZnTe薄膜溅射功率对太阳能电池电学性能的影响253.2 CdZnTe薄膜溅射时间对太阳能电池性能的影响263.2.1 CdZnTe薄膜溅射时间对太阳能电池光学性能的影响263.2.2 CdZnTe薄膜溅射时间对太阳能电池电学性能的影响273.3 CdZnTe薄膜溅射压强对太阳能电池性能的影响293.3.1 CdZnTe薄膜溅射压强对太阳能电池光学性能的影响293.3.2 CdZnTe薄膜溅射压强对太阳能电池电学性能的影响303.4 CdZnTe薄膜溅射温度对太阳能电池性能的影响313.4.1 CdZnTe薄膜溅射温度对太阳能电池光学性能的影响313.4.2 CdZnTe薄膜溅射温度对太阳能电池电学性能的影响32第四章 结论34参考文献35致 谢38声 明39第一章 文 献 综 述1.1 引言随着全球气候变迁、空气污染问题日益严重，而非再生资源日趋短缺，面对国际油价不断攀升，石油危机即将再次爆发，全世界即将发起能源战争，无论钓鱼岛问题，还是南海问题等，都是由于他国垂涎于海底深藏的油气资源引起的，而太阳能电池为缓解能源危机提供了一种切实可行的方法，而正是基于此背景，各国大力促进光伏产业的迅速发展。太阳能作为可再生资源，取之不尽用之不竭，世界各国都对太阳能的开发利用给予了大量投入。目前，太阳能电池已被广泛运用到日常生活，如路灯照明、光伏建筑、计算机、飞行器、汽车、热水器等，发展潜力巨大，它在能源的运用中将扮演极其重要的角色。国际上太阳能电池的研究与开发具有领先地位的是德国、日本、美国、澳大利亚等发达国家。从太阳能电池产业和利用上看，日本，德国、英国、美国和西班牙发展最快。由于太阳能电池较其他能源价格高，与其他常规能源的竞争处于劣势，需要政府在政策和法律方面给予资助才能促进其发展。德国在1991年发布了鼓励可再生能源发展法。2003年日本颁布了RPS法，其内容是包含设立清洁能源电力发展基金和市民安装小型的太阳能发电装置的资金补助。由于能源危机和全球变暖，世界很多国家都提出了自己的太阳能光伏发电计划。1997年美国提出了太阳能“百万屋顶计划”，在100万建筑物上安装太阳能系统。继日本的阳光计划和德国的1993年提出10万屋顶发电计划之后，2000年中国政府提出光明计划1-4。薄膜太阳能电池，顾名思义，其是在塑胶、玻璃或是金属基板上形成可产生光电效应的薄膜，厚度仅需数m，因此在同一受光面积之下比普通太阳能电池大幅减少原料的用量。薄膜太阳能电池并非是新概念的产品，实际上人造卫星就早已经普遍采用砷化镓（GaAs）所制造的高转换效率薄膜太阳能电池板（以单晶硅作为基板，转换效能在30%以上）。不过，一方面因为制造成本相当高昂，另一方面除了太空等特殊领域之外，应用市场并不多，因此直到近几年因为太阳能发电市场快速兴起后，发现硅晶圆太阳电池在材料成本上的局限性，才再度引起为产业研发的关注，目标则是发展出材料成本低廉，又有利于大量生产的薄膜型太阳能电池。自2006下半年以来，因全球太阳能市场需求成长，造成硅原料供应不足、硅晶太阳能电池及模组生产成本水涨船高。而薄膜太阳能电池因具有轻薄、低成本、可挠曲、多种外观设计等优点，成为继硅晶太阳能电池之后，被认为是当前最具发展潜力的太阳能技术。在薄膜太阳能电池中,CdS/CdTe电池制备工艺简单,成本相对低廉,易于实现大规模商业化生产而备受重视。但是，由于CdTe薄膜缺陷多，电学性能不如CdZnTe薄膜材料好等原因，越来越多的科研工作者将研究重心转移到CdZnTe/CdS薄膜太阳能电池。CdZnTe是一种性能优异的新型II-VI族化合物半导体。CdZnTe晶体具有闪锌矿结构，它是由Cd（Zn）和Te原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移四分之一对角线长度而构成5。CdZnTe（简称为CZT）薄膜是近年发展起来的一种性能优异的新型半导体材料。由于其电阻率高、原子序数大、量子效率高、电荷传输性能优异及禁带宽度大等物理特性，可广泛应用于天文、医学、工业、军事和薄膜太阳能电池等领域6-8。1.2 太阳能电池简介1.2.1 太阳能电池的发展历程诺贝尔奖获得者美国Rice University的Smalley教授曾经指出，在未来的50年里，人类面临着随之而来的10大问题中，能源问题排在首位。目前人类使用的能源中，化石能源占90%以上。而到21世纪中叶，其比例将减少到人类使用能源的一半，达到其极值，之后核能和可再生能源将占主导地位。到2100年时，可再生能源将占人类使用能源的1/3以上9。在诸多可再生能源中，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能，太阳能所蕴藏的能量是所有其他可再生能源能量总和的上千倍。因此发展太阳能潜力巨大。作为太阳能的主要利用途径，太阳能电池除具有清洁、能量充足的特点外，还可以直接设置在需要用电的地方发电。从20世纪末起，太阳能电池的国际市场年增长率已达到30%，并将维持到2010年，而在2030年前，还会以约25%的速度持续增长。太阳能光伏装机容量将从21世纪初的约0.5GW增长到2030年的300GW。中国的可再生能源中长期发展规划中，提出2020年可再生能源要占到15%，其中太阳能电池发电容量达到1.8GW。随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势。基于上述太阳能电池的发展背景和现状分析，目前太阳能电池发展的新概念和新方向可以归纳为薄膜电池、柔性电池、叠层电池、以及新概念太阳能电池。1.2.2 太阳能电池的原理从功能上讲太阳能电池是将太阳光能转换成为电能的一种光电转换器件。从器件本质上讲太阳能电池是一个半导体P-N结。将P型和N型半导体如图1-1所示结合在一起，右边的N型半导体内的过多电子因为浓度差会扩散到左边的P型半导体中，在交界面附近，因为电子和空穴的复合，从而使该处出现一批带负电荷的掺入杂质的离子；同时，在N区内，由于扩散跑掉了一批电子而呈现带正电的掺入杂质的离子。（a）P-N结示意图（b）P-N结形成流程图图1-1 P-N结工作原理同理，左边P型半导体内的过多的空穴也因为浓度差会扩散到右边的N型半导体中，在交界面附近与电子复合，从而使该处出现一批带正电和的掺入杂质的离子；同时，在P区内，由于跑掉一批空穴而出现带负电荷的杂质离子。从而在交界面附近会形成靠近N区的一边带正电荷，靠近P区的一边带负电荷的区域，称为空间电荷区，这就是P-N结。在P-N结内，由于两边分别集聚了正电荷离子和负电荷离子，因此就会产生一个由N区指向P区的内建电场。由于内建电场的存在，就会对电荷有作用力，推动正电荷顺着电场的方向运动而阻止其逆着电场的方向运动，同时，电场会吸引负电荷逆着电场方向运动而阻止其顺着电场方向运动，因此，当P区中的空穴企图继续向N区扩散而通过空间电荷区时，由于内建电场与运动方向相反，因而会受到电场的阻力；同样，N区中的电子企图继续向P区扩散而通过空间电荷区时，也会受到内建电场的阻力。总之，内建电场的存在阻碍了多数载流子的扩散运动。但是对于P区中的电子和N区中的空穴，却可以在内建电场的作用下向P-N结的另一边运动。这样，由于P-N结的作用，最后扩散与漂移达到动态平衡。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。因此我们这里所指的太阳能电池是指利用光电效应使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的装置。这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”，太阳能电池又称为“光伏电池”。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体硅为例描述光发电过程。当太阳光线照射太阳电池表面由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，一部分光子被材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，形成新的空穴由-电子对。在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载，就会产生一定的电压和电流，对外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。为了获得较高的输出电压和较大容量，往往把多片太阳能电池连接在一起。太阳能电池的输出功率是随机的。不同时间、不同地点、不同安装方式下，同一块太阳能电池的输出功率也是不同的。目前，太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上，个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到30%左右。1.2.3 太阳能电池的种类太阳能电池是通过光电或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。薄膜电池中最主要的形式有非晶硅(aSi)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(简称CIGS)，具体分类见图1-2太阳能电池分类。图1-2太阳能电池分类1）非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池非晶硅薄膜太阳电池是一种新型太阳电池，其制作工艺简单、用材少、不需要高温过程、衬底选择余地较大并且成本低廉，在开发之初就受到人们的高度重视，并得到快速发展。2）多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池多晶硅薄膜太阳电池是目前公认的高效率、低能耗的理想太阳电池，具有性能稳定、无毒、价格低、可大面积生长等优势，此外，硅元素广泛存在于地球上(地壳中约含27.6%)，原材料丰富，比其他薄膜电池(铜铟硒(CIS)和硫化镉(CdTe)等)具有更优越的地位。3）GaAs太阳能电池GaAs太阳能电池相对于硅基太阳能电池，化合物半导体材料多为直接带隙半导体材料，光吸收系数较高，因此，材料仅需数微米厚就可制备高效的太阳能电池。而且化合物半导体材料的禁带宽度通常较大，抗辐射性能高于硅太阳能电池。但生产工艺复杂能耗大周期长，导致成本高，以与硅太阳能电池相比价格上没有优势，通常仅用于空间太阳能电池上。4）CIGS太阳能电池CIGS薄膜太阳能电池，属于IIIIVI族合物，由IIVI族化合物衍化而来，其中第II族元素被第III族(GaIn)和第I族(Cu)取代而形成三元化合物。CIGS薄膜太阳能电池光吸收系数较大，禁带宽度为102eV，理论转换效率2530%，且薄膜只需12m厚就可吸收99%以上的太阳光，从而可大大降成本，因此具有良好的发展前景。目前，实验室转换效率19%，在国际上已投入商业化生产，还需解决解决多层界面匹配问题CIGS仍处在研究阶段，尚未规工业化生产，需进一步研究的问题有:开发最佳的沉积技术，降低成本等；此外，还需对CIGS薄膜生长机理及缺陷加以研究，讨论进一步提高电池的转换效率。5）CdTe薄膜太阳电池CdTe是直接禁带化合物半导体材料，晶体为立方闪锌矿结构，其禁带宽度约为1.45eV，与太阳光谱非常匹配，并且具有很高的吸光系数，2m的CdTe薄膜可吸收99%以上的太阳光。同时,硫化镉电池性能优良、转换效率高、制造成本低、容易实现规模化生成等优点备受人们关注。1959年RCA实验室将In元素扩散到P型CdTe单晶上获得了转换效率为2.1%的CdTe单晶同质结太阳电池10。1969年Adirovich等人研制出第一块CdS/CdTe薄膜异质结太阳电池11，经过数十年的研究及改进，碲化镉薄膜太阳电池取得了可观的成就，80年代Tyan和Albueme将电池的转换效率提高到了10%以上12，并且奠定了碲化镉薄膜太阳电池的基本结构，1993年,Ferekides等人成功制备出转换效率为15.8%的CdTe薄膜太阳电池13，2001年NREL实验室的华人科学家吴选之教授研制出转换效率为16.5%的CdTe薄膜太阳电池14，目前，CdTe多晶薄膜太阳电池的最高转换效率为18.7%由美国的Frist Solar创造。中国CdTe薄膜太阳电池研宄开始于上世纪80年代初，内蒙古大学釆用蒸发技术、北京太阳能研究所采用电沉积技术(ED)研究和制备了CdTe薄膜电池，北京太阳能研究所研制的电池转换效率达5.8%。90年代后期，四川大学采用近空间升华技术研制出了小面积转换效率为13.38%(0.5cm2)的电池，创造了中国硫化镉太阳电池的转换效率纪录，接近国际领先水平。CdTe本身具备的一系列特性，使得其适合低成本、大规模生产高性能的太阳电池组件，但CdTe太阳能技术中存在金属镉，而镉元素又具有毒性，所以一直是CdTe太阳能技术潜在的非技术性障碍。随着锡回收和在利用技术的不断发展，碲化镉薄膜太阳电池再一次成为了研宄的热点。目前，全世界在建的和己完成的10个大型光伏电站中，有6个且其中最大的3个(300MW以上)都是采用CdTe组件。美国的Frist Solar是全球最大的硫化镉薄膜太阳电池制造商，截止2011年其年产量达2GW，与2002年并比翻了1000多倍，2012年公司主要生产线制造的组件转换效率达到13.1%。德国的ANTEC公司采用近空间升华技术生产1.2x0.6m2蹄化镉电池组件，平均效率在6%-7%之间，光照面积的最高效率为7.92%。在国内，龙炎能源科技有限公司成功的将CdTe薄膜太阳电池实现了产业化，并且自己拥有自主知识产权的全套生产大面积CdTe组件的工艺与核心设备，建立了一条全自动化的30MWCdTe组件生产线，组件平均效率达11.4%，最高组件效率达11.86%，成功应用于光伏电站。近几年伴随着Cd回收技术的不断提高，CdTe薄膜太阳电池产业化有望得到进一步的发展15。1.3 CZT简介CdZnTe是一种性能优异的新型II-VI族化合物半导体。CdZnTe晶体具有闪锌矿结构，它是由Cd（Zn）和Te原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移四分之一对角线长度而构成5。CdZnTe晶体具有十分广泛的应用前景。首先，它是红外探测材料HgCdTe的最佳外延衬底16；其次，许多研究成果表明，CdZnTe晶体是制造室温高性能辐射探测器最具有潜力的材料17。随着晶体生长技术的进步，人们发现与传统体单晶材料相比，薄膜材料不仅在成本方面具有明显优势，而且在商业化程度上也更易实现。CdZnTe晶体具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜被用来制CdS-CdZnTe太阳能顶电池。此外，由于载流子在CdZnTe薄膜内的漂移距离较短，这样就可以有效地提高收集效率，因此CdZnTe薄膜也可用于制备高性能低成本的室温X射线探测器、射线探测器18-20。CdZnTe薄膜还广泛应用于天文、医学等领域21-24。CdZnTe薄膜具有以下几方面的优势：（1）高密度、高原子量、密度高达5.78/cm3，混合的原子量为48，Eg=1.6eV，具有高吸收率；（2）室温工作，环境适应强，耐用适用性广，耐冲击，受温度变化影响小；（3）不吸湿潮解；抗辐射性能好，且具有非常好的撑起稳定性；（4）恰当的禁带宽度。禁带宽度太大有较大的电阻率和漏电率；禁带宽度太小，信噪比较高。而且，CdZnTe的禁带宽度随Zn含量的不同在1.45-2.26eV之间连续可调，可适应于更广泛的应用。1.4 CZT薄膜的制备方法1.4.1 磁控溅射法磁控溅射主要包括放电等离子体运输、靶材刻蚀、薄膜沉积等过程。与其它镀膜技术相比，其显著特征是：工作参数有大的动态调节范围，镀膜沉积速度和厚度（镀膜区域的状态）容易控制；对磁控靶的几何形状没有设计上的限制，以保证镀膜的均匀性；膜层没有液滴颗粒问题；几乎所有金属、合金和陶瓷材料都可以制成靶材料；通过直流或射频磁控溅射，可以生成纯金属或配比精确恒定的合金镀膜，以及气体参与的金属反应膜，满足各类等多样和高精度的要求25。利用磁控溅射法制备CdZnTe薄膜大多采用CdTe和ZnTe的混合粉末或合金作为靶材。溅射法制备CdZnTe薄膜过程中高能量的离子轰击会产生较多电活性的缺陷，不利于CdZnTe薄膜材料制备，需要进一步优化设计、操纵和控制CdZnTe薄膜的溅射制备工艺。1.4.2 真空蒸镀法真空蒸镀法具有简单便利、操作容易、成膜速度快及效率高等特点，是薄膜制备中最广泛使用的技术。真空蒸镀法中，人们只需产生一个真空环境。在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸气压。根据选择的蒸发源不同，可以分为单源蒸发和双源蒸发两种。在制备CdZnTe薄膜时，有人利用CdTe和ZnTe做双源蒸发源材料26，也有人利用高温合成的CdZnTe多晶料做单源蒸发的蒸发源，两者各有利弊。利用双源蒸发可以改变蒸发源CdTe和ZnTe的质量比来调节沉积得到的CdZnTe薄膜中Zn的含量。由于蒸发源中CdTe和ZnTe的饱和蒸汽压不同以及Zn较低的粘附系数，真空蒸发制备得到的CdZnTe薄膜杂质较多，并且结晶质量不理想。D.here等27认为，用二元化合物做蒸发源，很难获得较高的Zn含量。Kim等28用Zn含量较高的CdZnTe合金料做蒸发源，控制各组分的分压，制备出了高质量CdZnTe薄膜。另外单源蒸发法的合金可以更好实现掺杂手段。他们用掺Cl的单晶料做靶材制备出高质量的适用于探测器要求的CdZnTe多晶薄膜。不过，要精确调节薄膜的成分则相对来说比较繁琐。每改变一次成分需单独合一次多晶料增加了制备薄膜的成本。1.4.3 近空间升华法（CSS）简单的说近空间升华法与真空蒸发沉积法原理类似，都是在真空环境下对源材料加热，使蒸发的气体原子在衬底上沉积成膜。一般来说，源材料与衬底之间的距离远近是近空间升华法与普通真空蒸发法的主要区别。近空间升华设备中源材料与衬底之间的距离一般保持在20-30mm，而普通真空蒸发设备中的这个距离一般在50-70mm。图1-3是近空间升华法制备CdZnTe薄膜的装置示意图。图1-3 近空间升华法制备CdZnTe薄膜装置简易示意图利用近空间升华法制备CdZnTe薄膜的一个主要难点在于如何保证得到的薄膜中Zn含量。斯坦福大学的Michaael等29比较了不同源温度和衬底温度条件下得到的CdZnTe薄膜成分，认为Zn含量随着衬底与源的温差成正比例增加。Ferekides等30比较分析了CSS法和磁控溅射法制备的CdZnTe薄膜。在CSS法中，他们以CdTe与ZnTe粉末混合物为源，使源与衬底间距为4mm、温度分别为630660及500580，在He气氛控制压力为15torr。当CdTe：ZnTe约为1：10时可得到禁带宽度为1.651.75eV的薄膜。发现采用CSS法制备CdZnTe薄膜制成的太阳电池性能较好。1.5 本文主要研究的内容及方法本课题主要通过超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜设备制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池，并通过查找相关的资料和必要的试验，对所制备的太阳能电池进行检测分析对比，通过研究所制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池的性能，改进制备的工艺，提高太阳能电池的效率。首先，通过查阅、阅读相关的薄膜太阳能电池的资料，根据所查阅的相关资料提出初步的实验参数，根据实验参数进行探索实验，做出CdS薄膜，待检测后依据分析结果，改进实验工艺，进一步提高CdS薄膜的透射率，为做出高效率的薄膜太阳能电池做好准备。 其次，依据资料提出不同的工艺参数，制备CdZnTe薄膜，检验所制备薄膜的电阻率，将不同参数所制备的CdZnTe薄膜进行比较、分析，进一步改进制备CdZnTe薄膜的工艺参数，制备出电阻率较低的CdZnTe薄膜。最后，根据制备CdS薄膜和CdZnTe薄膜的工艺参数，分别制备窗口层CdS薄膜和吸收层CdZnTe薄膜，得到CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池。对样品进行效率检测，通过不同的参数的组合分析，提高太阳能电池的效率。第二章 实验设备及电池的制备2.1 磁控溅射2.11 磁控溅射的基本原理溅射是指具有一定能量的粒子轰击固体表面，使得固体分子或原子离开固体，从表面射出的现象。溅射镀膜是指利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成薄膜的过程。磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用，运动轨迹成摆线，增加了电子和带电粒子以及气体分子相碰撞的几率，提高了气体的离化率，降低了工作气压，而Ar+离子在高压电场加速作用下，与靶材撞击并释放能量使靶材表面的靶原子逸出靶材飞向基板，并沉积在基板上形成薄膜，图2-1所示为平面圆形靶磁控溅射原理图31，图2-2为磁控溅射原理图。由图可以看出电子被洛伦兹力（×）束缚在非均匀磁场中，增强了氩原子的电离。 图2-1平面圆形靶磁控溅射原理图 图2-2磁控溅射原理图磁控溅射技术得以广泛的应用是由该技术的特点所决定的，其特点可归纳为：可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料，包括各种金属、半导体、铁磁材料，以及绝缘的氧化、物陶、瓷聚合物等物质；磁控溅射可制备多种薄膜，不同功能的薄膜，还可沉积组分混合的混合物、化合物薄膜32-35；磁控溅射等离子体阻抗低，从而导致了高放电电流，在约500V的电压下放电电流可从1A到100A（取决于阴极的长度）成膜速率高，沉积速率变化范围可从1nm/s到10nm/s；成膜的一致性好，甚至是在数米长的阴极溅射的情况下，仍能保证膜层的一致；性基板温升低；溅射出来的粒子能量约为几十电子伏特，成膜较为致密，且膜/基结合较好，磁控溅射调节参数则可调谐薄膜性能；尤其适合大面积镀膜，沉积面积大膜层比较均匀36,37。磁控溅射最典型的特点就是在溅射过程中基板温升低和能实现“高速”溅射。溅射产生二次电子被加速为高能电子后，在正交磁场作用下作摆线运动，不断与气体分子发生碰撞，把能量传递给气体分子，本身变为低能粒子，也就不会使基板过热37；还有观点认为影响工件温升的关键因素还在于轰击密度也即轰击工件表面的电子浓度，电子的能量