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1、 一、項目背景及研究意義 進入21世紀，隨著化石燃料的消耗進一步加劇，有限的化石能源儲量與大量的能源需求之間的矛盾日益加劇。太陽能作為一種清潔，可再生的一次能源，得到了人們的關注與研究。太陽能電池技術正是在這種情況下，作為一種有效利用太陽能的手段而出現(xiàn)并發(fā)展起來的。 太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。根據(jù)材料的不同，太陽能電池可以分為：1、晶體硅太陽能電池；2、硅基薄膜太陽能電池；3、化合物半導體薄膜太陽能電池4納米薄膜太陽能電池。不論以何種要求來制作太陽能電池，對太陽能電池材料的一般要求有：1、半導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)太陽能電池材料中，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高， 技術也最為成熟,電池轉(zhuǎn)化效率可達23%。由于單晶硅太陽能電池的高轉(zhuǎn)換效率，其在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，但由于受單晶硅材料價格及相應的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，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，薄膜太陽能電池日益得到重視與發(fā)展。 薄膜太陽能電池的出現(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)界的足夠關注，市場占有率很低。隨著其技術的不斷進步，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、工藝簡單、能耗低，成本有一定優(yōu)勢，越來越被業(yè)界所接受。 近年來一種既具有高轉(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用，這種電池就是以銅銦鎵硒為吸收層的薄膜太陽能電池，簡稱為CIGS電池。其典型結(jié)構為:Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。 CIGS電池具有性能穩(wěn)定、抗輻射能力強等優(yōu)勢，轉(zhuǎn)化率接近于晶體硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，成本卻是其1/3。相對于已有的硅薄膜太陽能電池，CIGS還具有一下有點：1、CIGS的薄膜晶體結(jié)構和化學鍵更穩(wěn)定，而且未發(fā)現(xiàn)光致衰退效應，因而其壽命更長；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在薄膜太陽能電池的制作過程中不存在污染性化學物質(zhì)。正是因為性能優(yōu)異，CIGS電池被國際上稱為下一代的廉價太陽能電池，具有廣闊的市場前景。 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、化學組結(jié)構及孔隙率，而且設備投資少、原材料利用率高、工藝簡單、易于操，但要通過該方法制備理想的具有復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、膜預制層，然后硒化制得。 目前一些發(fā)達國家對CIGS薄膜太陽能電池已經(jīng)非常重視，投入了大量資金進行研究，尤其是日本、美國、德國的研究水平已處于世界領先，并已經(jīng)達到實際生產(chǎn)水平，且性能和品質(zhì)也在不斷提高。美國可再生的能源實驗室制備的小面積CIGS太陽能電池的最高光轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到19.2%。日本昭和殼牌室友公司已經(jīng)完成技術開發(fā)，并建設了10-20MW級生產(chǎn)線。中國作為一個能源消耗大國，應該加快對CIGS薄膜太陽能電池的研究步伐，利用這一性能優(yōu)越的太陽能電池材料，緩解能源壓力，并降低太陽能電池制作和銷毀過程中對環(huán)境的影響。 二、項目研究目標和研究內(nèi)容 研究目標 1. 采用低溫電沉積制備

6、出金屬比率已確定的先驅(qū)體，再在高溫下對先驅(qū)體進行硒化或熱處理，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)對合成產(chǎn)物，電學性能的影響。 3. 在制備CIGS薄膜的過程中，探索Ga元素含量對電池的光電轉(zhuǎn)化率的影響，期望得到更高的光電轉(zhuǎn)化率。 研究內(nèi)容 1. 在水溶液中電沉積法制備Cu-In-Ga-Se前驅(qū)體薄膜的電化學過程進行分析。 2. 通過XRD分析不同沉積電壓、絡合劑檸檬酸鈉濃度、離子配比濃度對電沉積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)，設計沉積參數(shù)，以檸檬酸鈉為絡合劑

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CIGS薄膜的結(jié)構，組成，表面形貌進行分析． 三、項目研究的實施方案及擬采取的研究方法和技術路線 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 實驗采用簡單的二電極直流電源系統(tǒng)，以鉑網(wǎng)為陽極，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，關閉Ar氣，開爐取樣。 4 薄膜的性能測試 4.1薄膜的X射線衍射物相分析 XRD衍射儀對電沉積制備的CIGS 4.2薄膜的SEM分析 采用SEM技術對CIGS薄膜的形貌、粒度大小及其分布情況進行分析表征 4.3薄膜的成分分析 采用EDAX技術測定ClGS薄膜的組成元素分布和均勻性，結(jié)合電鏡形貌較準確的

9、判定相關微區(qū)結(jié)構的成分，通過計算獲得各組成成分的相對含量。 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) 技術路線 四、項目研究基礎和項目的可行性分析 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、化學組結(jié)構及孔隙率，而且設備投資少、原材料利用率高、工藝簡單、易于操作，但要通過該方法制備理想的具有復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、絡合劑檸檬酸鈉濃度、離子配比濃度對電沉積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備相對簡單，技術路線采用閉路反饋方式研究，思路清晰，實際實施前景明朗，具有重要的研究和開發(fā)價值。 五、本項目的創(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，應用范圍廣泛。 六、項目預期成果： 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

11、其進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)構和電學性能之間的關系，對其進行改性研究，以期得到更好性能的太陽能電池。 八、參考文獻 【1】 郭杏元等，CIGS薄膜太陽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太陽能電池的低成本制備工藝，電源技術 2005 29，p849-852 【3】 白利鋒等，電沉積銅銦鎵硒太陽能電池的研究進展，材料導報 2010 24，p256-258 【4】 李建軍等，CIS(CIGS)太陽能電池研究進展，能源技術 2005 26，p164-167 【5】李建軍，CIGS太陽電池材料電沉積法制備過程研究，桂林工學院碩士學位論文，2006 4 【6】龐來學等，薄膜太陽電池CIGS吸收層低成本制備- 電沉積工藝研究，陶瓷學報 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