脈衝?射成長黃銅礦結構薄膜之特性與光伏應用研究

Translated title of the thesis: Pulsed-laser deposition and characterization of chalcopyrite films for photovoltaic applications
  • 陳 家全

Student thesis: Doctoral Thesis

Abstract

黃銅礦結構的銅銦鎵硒(CuIn1-xGaxSe2 CIGS)具有高光吸收係數等優點,特別適合應用於可撓式薄膜型太陽能電池。但是CIGS成份複雜,薄膜成長較?困難,目前還沒有一種成長方法可以完全達到高純、快速、廉價等要求。本研究嘗試利用脈衝雷射沉積技術(Pulsed Laser Deposition PLD)成長CIGS薄膜,由於雷射具有超快加熱速率與超高溫的特性,可將靶材的成份按原比例蒸鍍到基板上,即所謂的同成分蒸發,因而特別適合用來成長多組元成份的CIGS薄膜。本論文探討PLD成長參數、元素摻?對薄膜的相純度、結構以及光電性質的影響,主要結論依薄膜成份分為三個部分概括如下: (1)未摻?之CIGS: 以純元素粉末製作比例為Cu:In:Ga:Se=1:0 7:0 3:2的靶材,在燒結溫度500oC持溫10小時,可獲得結晶性良好的CIGS (x?0 3)純相。隨後?用PLD在鈉玻璃基板上成長CIGS薄膜,在基板溫度300oC時成長的CIGS薄膜可獲得良好的黃銅礦結構,且EDS成份分析結果證實靶材成分基本上按原比例沉積到基板。在調整雷射能量密度時發現,當能量密度過高(12 J/cm2)時會有氣相成核的情況發生,而且會造成靶材表面有明顯的刻痕,本實驗最合適的雷射能量約為5 5 J/cm2。將脈衝雷射光頻率從1 kHz降低至5 Hz時,薄膜表面會出現大顆微粒,直徑約為100~200 nm。1 kHz與5Hz成長的CIGS薄膜在製作成簡易太陽能電池後,初步測得的光電轉換效率分別為0 23%與0 11%,開路電壓分別為0 32及0 16 V。 (2)摻Na之CIGS: 利用添加Na到自製CIGS靶材的方式,可直接成長CIGS:Na薄膜,以便解決PI基板無法像鈉玻璃基板那樣,在高溫時能提供微量Na離子來增加CIGS的轉換效率。實驗結果發現,添加Na元素(1~10 at%)的CIGS靶材在燒結溫度500oC持溫12小時的製作條件下,可以得到CIGS純相。在基板溫度300oC時,利用CIGS:1 at%Na靶材在可撓式PI基板上成長的薄膜,其結晶性較好且具有純的CIGS相,但如果靶材Na含量過高(>1 at%),則會有二次相出現或薄膜結晶性明顯變差。隨著薄膜中Na含量從1 8 at%增加到7 8 at%,薄膜的能隙會從1 2 eV 增加到1 6 eV,同時載子濃度也隨著增加(1016?1018 cm-3),進而導致電阻率降低。藉由拉曼光譜分析得知,這是因為用含Na 5 at% 或10 at%靶材成長的薄膜中有二次相CuSe存在的緣故。 (3)過渡金屬取代Ga之CIGS,即CuIn1-xMxSe2 (M=Cr、V、Ti): 利用過渡金屬元素添加進入CuInSe2 方式製作Cu(In0 8M0 2)Se2 (CIMS)靶材,在燒結溫度700oC持溫8小時可獲得CIMS純相靶材。在室溫下PLD成長可以獲得具有微結晶的CIMS薄膜,隨後在200~500oC對薄膜進行退火處理,其中400oC退火可以獲得最佳的結果,晶粒大小從3 nm(室溫成長)增大為19 nm且成份不會因?在高溫過度揮發而偏離化學計量比太多,在拉曼光譜分析中僅觀察到屬於黃銅礦結構的振動特徵峰,而之前在室溫成長薄膜中出現的CuSe特徵峰已消失。經實驗分析,CIMS薄膜實際成份分別為CuIn0 91Cr0 09Se2、CuIn0 86V0 14Se2與CuIn0 92Ti0 08Se2,其對應的能隙值依序為1 23、1 30與1 36 eV,此結果顯示摻雜微量過渡金屬元素對於優化CuInSe2能隙的效果要比傳統的CuIn0 7Ga0 3Se2來得更加明顯。
Date of Award2014 Aug 18
Original languageChinese
SupervisorXiao-Ding Qi (Supervisor)

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