铜铟镓硒薄膜太阳能电池材料的制备与表征.docx

铜铟镓硒薄膜太阳能电池材料的制备与表征
摘要
铜铟镓硒(CIGS)材料作为一种应用于太阳能电池领域的新型材料，在可见光吸收率高、电子传输率好、稳定性良好等方面具有独特的优势。本文综述了CIGS材料的制备方法，如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、离子束蒸发(IBS)、溅射法和氧化物合成法等；对CIGS材料的结构、性质、光电特性进行了详细的说明。此外，还介绍了CIGS太阳能电池的构成及其工作原理。最后，本文对CIGS材料的未来发展进行了展望。
关键词：铜铟镓硒；太阳能电池；制备；特性
引言
全球能源资源的短缺和环境问题的加剧使得太阳能发电逐渐成为一种热门的清洁能源。因此，研究太阳能电池材料成为了当下的热点领域。铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池以其高效、轻薄及可制备性等优势成为了太阳能电池的研究热点之一。本文将综述CIGS材料的制备及其在太阳能电池中的应用。
一、CIGS材料的制备
CIGS材料是一种化合物半导体材料，其由铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)和硒(Se)四种元素组成。CIGS材料的制备主要有以下几种方法。
1.物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积(PVD)是利用物理过程在高温环境下将材料气相沉积在衬底上的方法。这种方法主要包括热蒸发法(Evaporation)和分子束蒸发法(MBE)等。其中，Evaporation法是将四种元素的纯净材料加热蒸发，然后在衬底上沉积，而MBE则是通过分子束沉积来实现。
2.化学气相沉积(CVD)
化学气相沉积(CVD)是利用化学反应将CIGS材料沉积在衬底上的方法。该方法主要分为两种：一种是化学气相沉积（CVD）法，通过使CIGS材料的前体反应来得到尽可能纯的材料；另一种是在氧气气氛下，反应CIGS材料的前体，得到氧化物粉末，然后通过还原反应得到CIGS材料。
3.离子束蒸发(IBS)
离子束蒸发(IBS)是利用高能离子束将材料发成原子级别的状态和产生一个反应的方法，其沉积速度和温度较低，挥发的元素量可控。
4.溅射法
溅射法是在真空环境下，通过离子轰击的方式，将材料离子化扔到沉积表面从而制造希望沉积的材料。
5.氧化物合成法
氧化物合成法是利用含Cu，In，Ga和Se及稀土元素的水溶性化合物，较高的反应温度和较高的压力制备CIGS薄膜，该方法适用于大规模工业生产。
二、CIGS材料的特性
CIGS材料结构类似于闪锌矿型半导体，呈六方晶系，晶格常数比较小，故晶粒的大小和形状对其晶体结构和性能特征具有影响。此外，其独特的物理和化学特性也为其在太阳能电池中的应用提供了良好的基础。
1.光学特性
CIGS材料具有很高的光吸收系数，其在可见光范围内吸收率高于95%。由于CIGS具有谷特体的带隙结构，其在谷能带和导带之间具有良好的光吸收和电子输运性能，因此被广泛应用于太阳能电池领域。
2.电学特性
CIGS材料的电学特性取决于其晶格结构和组分，如In的浓度、Cu的缺陷浓度等。CIGS中的缺陷浓度较低，是其具有良好电导率和高效的光谱响应的原因之一。
3.热学特性
CIGS材料具有优异的热学性能，其热膨胀系数与传统硅基材料相近接近，故不容易导致物理损伤或扭曲效应发生。
三、CIGS太阳能电池的构成及工作原理
CIGS太阳能电池由多个图层的构成，包括衬底、反射层、CIGS吸收层、p-n层和透明导电层。其工作原理为：当光线照射到CIGS吸收层时，光子将激发CIGS中的电子从价带上升到导带，导带中的电子被释放到p区，p区与n区中的电子发生反应，产生电流。其中，CIGS吸收层是整个电池的核心层，其可见光吸收高，光电转换效率高，是太阳能电池的关键所在。
四、CIGS材料的发展前景
随着对太阳能电池材料研究的深入，CIGS材料显示出在光电转换效率、寿命、稳定性以及制备成本等方面的独特优势。综合上述优势，CIGS材料已成为太阳能电池研究的一个热点领域，随着科学技术的不断进步，CIGS材料的研究及应用将不断推进，具有重要的发展前景。
结论
本文综述了CIGS材料的制备、特性以及其在太阳能电池中的应用。从CIGS材料的结构、成分和物性方面对其进行详细描述，并将其与其他太阳能电池材料进行比较，具有重要参考价值。随着CIGS材料研究的深入，其在太阳能电池中的应用前景广阔，相信在未来的研究中，CIGS材料将继续发挥其重要的作用。