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一、课题的目的和意义
当前,人类社会赖以发展的能源近80%是不可
再生的化石能源。面对日益严重的能源危机和大
量使用化石能源所带来的环境污染,开发清洁的
可再生能源已成为人类必须解决且受到广泛关注
的问题。水能、风能、核能、地热能、太阳能等
都具有一定的发展空间,其中太阳能除了具备无
污染、用之不竭的基本特点外,相比其他清洁的
可再生能源,还具有地域限制小、能量来源简单
等特点,是最具希望的能源之一。图1、铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构示意
实现太阳能的实际利用,要求保证能量转换效率,且必须尽可能降低太阳能电池的制
造成本。薄膜太阳能电池可以极大减少价格相对昂贵的半导体材料,同时电池材料制备和
电池形成同时完成,节省了制作工序,故其在节约成本方面有较大优势。目前,薄膜太阳
能电池有硅薄膜太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池等多种类
别。本课题研究的CIGS电池是一种多元化合物电池,相比而言,其具有成本低、性能稳定、
抗辐射能力强、光电转换效率高的综合优势,是最有前途的太阳能电池之一。[1]
CIGS电池的核心是铜铟镓硒薄膜,其制备目前主要有多元分步共蒸发法和金属预置层
后硒化法两种技术路线,本课题围绕多元分布蒸发法的基本蒸发过程展开研究,力图探明
影响蒸发过程的各种因素及其对蒸发过程造成影响的规律,给实际制备高质量的铜铟镓硒
薄膜提出理论支持与指导,从而有效提高电池光电转换效率。由于未来可能的批量化生产
将可能使用大面积的基底,在这种情况下需要综合考虑均匀度和产率两个因素,因此本课
题还具有丰富的实际意义。
二、课题研究状况
从20世纪70年代起,CIGS电池材料的研究在世界范围内获得迅速发展。以共蒸发法
制造CIGS电池,各个元素比例可以在蒸发过程中调节,薄膜材料晶相结构好。2006年,
美国NREL以共蒸发工艺研制的CIGS单体电池转换效率达19.5%,已能够与硅光电池转
换效率相比,创下了薄膜太阳电池的世界纪录。瑞典、日本、韩国的有关研究机构由此方
[2]
法制备的CIGS电池效率均已超过17%。而共蒸发法的技术难点则在于要求精确控制每种
元素蒸发速率及蒸发量,对于实现工业化还需要保证大面积沉积的均匀性。
由于CIGS电池被视为最具前途的太阳能电池之一,高效的CIGS电池将带来巨大的经
济效益,故其生产的核心技术在国际上目前处于保密状态。同国际水平相比,无论是研发
时间与历史、研究力量、研究公司的数量,还是实际达到的光电转换效率以及成品率,国
内均存在较大差距,目前达到的实验室最高转换效率仅为13%左右。同时,国内相关的基
础研究水平较低,影响基本蒸发过程的各种因素及其影响规律仍没有得到充分阐明,精确
控制蒸发过程还存在较大的技术难度。
三、课题主要内容与基本思路,难点和创新点
要提高太阳能电池的效率,主吸收层铜铟镓硒(CIGS)的质量至关重要。理想的CIGS
层应做到厚度、各元素配比均匀,并且如果能做到元素比例在厚度方向的差异(一般采用调
节Ga/(Ga+In)实现),形成禁带宽度的纵向梯度,则可以在更大范围内吸收太阳光,大幅
[3]
提高太阳能电池的效率。CIGS的特性决定了其广阔的发展空间,同时也决定了其制作工
艺的复杂性。本课题的主要研究内容就在于结合具体的设备情况,利用经典的气体分子理论,
研究蒸发过程的特点,摸索蒸发过程的控制方法,从而提高CIGS薄膜的质量,最终提高太
阳能电池的效率。
(一)、要保证薄膜的均匀性,则必须了解蒸发过程中
各种因素对于蒸发速率分布的影响。研究表明,对于满足特
殊条件的理想蒸发源(KnudsenCell),蒸发物质流量将满足
余弦分布率。而对于实际的圆筒蒸发源,其流量的分布将正
比于cosnθ,其中θ为测量位置和喷嘴连线与对称轴的夹
[4]
角,如图2所示。实际生产过程中,对应于不同条件下的
n都是未知的,需要实验测量。结合实验设备,考虑共蒸发
过程,对n产生影响的因素可能包括温度、物质种类、蒸发图2、圆筒喷嘴形成的蒸发强度分
源的几何参数、蒸发源的倾角等,此外由于随着蒸发的进行,
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