游亮開題報告

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1、中南大學研究生學位論文選題報告（學位論文工作計劃）題目名稱：Cu2ZnSnS4薄膜太陽能電池吸收層材料的制備與表征姓名：游亮學號：103912062攻讀學位：碩士學科專業(yè)：動力工程學院：能源科學與工程學院所在教研室：電子系指導(dǎo)教師：周繼承教授填寫日期：2011年12月（選題報告由研究生填寫，原件交研究生助理處）2011年12月23日一、課題來源、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與水平及研究意義、目的。（附主要參考文獻）1.1課題來源：（1）課題背景能源問題是當今世界最主要的問題之一。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源消耗劇增，化石燃料的日趨枯竭。加之與日俱增的化石

2、燃料的燃燒所造成的環(huán)境污染，己經(jīng)對地球生態(tài)平衡和人類的生存帶來了嚴重的危害。煤、油、電的短缺引發(fā)了人們的能源危機感和經(jīng)濟發(fā)展速度減慢，迫使人們不斷探求新的潔凈能源。太陽能取之不盡、用之不竭、無毒、無害、無污染，是人們解決能源和環(huán)境問題的最佳選擇。光伏發(fā)電可以將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能利用研究中最重要的研究領(lǐng)域之一。因此，開發(fā)利用太陽能成為世界各國可持續(xù)發(fā)展能源的戰(zhàn)略決策，無論是發(fā)達國家還發(fā)展中國家均制定了中長期發(fā)展計劃，把光伏發(fā)電作為人類未來能源的希望。在市場引導(dǎo)和政策支持下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速。從2003年至2008年，全球光伏

3、安裝總量平均年增長率達39%。到2009年，全球光伏安裝總量達21.7GWp，而2009年全年光伏安裝量就達7.1GWp，占全球光伏安裝總量的32.3%。預(yù)計到2013年，其全年光伏安裝量就將達到22.5GWp[1,2]。光伏產(chǎn)業(yè)已成為發(fā)展最為迅猛的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，而提高光電轉(zhuǎn)化效率、降低成本成為當今光伏領(lǐng)域的主攻方向[3]。太陽能電池發(fā)展至今，制造方法各異，種類繁多。在國際光伏市場上長期占據(jù)主導(dǎo)地位的是晶硅太陽能電池，其技術(shù)以半導(dǎo)體、電子工業(yè)為基礎(chǔ)，工藝路線比較成熟，效率較高但難以獲得進一步提。隨著硅材料的供應(yīng)日益緊張，電子工業(yè)用硅遠不

4、能滿足迅速發(fā)展的光伏產(chǎn)業(yè)需求，各種低成本方法如冶金法等提純多晶硅一直未有重大突破，導(dǎo)致晶硅太陽電池成本相對較高，且其工藝對原料的浪費也較嚴重。從20世紀80年代初開始，人們將注意的目光由塊體太陽能電池轉(zhuǎn)向薄膜太陽能電池。這種類型的太陽能電池是由具有不同功能的一系列薄膜組成，其材料成本低，單片面積大，集成度高，光電轉(zhuǎn)化效率較高且有較大提升空間[3]。按吸收層材料的不同，可分為硅基薄膜太陽電池和化合物半導(dǎo)體薄膜太陽電池，后者中具有代表性的是碲化鎘（CdTe）和銅銦硒（CIS）系(包括CuInGaSe2，CuInS2)薄膜太陽能電池[4,5]。目

5、前，F(xiàn)irstSolar公司在CdTe薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化方面異軍突起，取得了一定的成功（2009，1100MW）,但是，CdTe薄膜太陽電池因為鎘的毒性在應(yīng)用上受到一定的限制，而且碲材料是一種罕見的材料，其價格很可能會增加，這樣無疑阻礙了CdTe薄膜太陽電池的發(fā)展。而CIS系薄膜太陽電池具有一定綜合優(yōu)勢。CIS系薄膜太陽電池因其低成本、高的光吸收系數(shù)（105/cm）、強抗輻射能力和良好的穩(wěn)定性被認為是最有潛力的太陽能電池[6,7]，成為國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)和行業(yè)專家研究的熱點。CuInS2是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物，屬黃銅礦結(jié)構(gòu)[8,9],因其為一

6、種直接帶隙的半導(dǎo)體材料，電子直接躍遷所需吸收的光子能量較低，故其光子吸收效率高[10]，帶隙為1.5eV左右，屬于太陽光最佳吸收帶隙范圍，其高的帶隙有利于提高開路電壓[11,12],且對抗高溫、抗輻射有著重要的作用[8,10,12]。隨著研究的不斷進步，CuInS2電池在實驗室轉(zhuǎn)換效率上取得了一定的進展。Scheer[13]等采用熱源共蒸發(fā)技術(shù)制備的常規(guī)結(jié)構(gòu)（glass/Mo/p-CuInS2/n-CdS/n+ZnO/Al）的小面積CuInS2薄膜太陽電池轉(zhuǎn)化效率達到10.2%,隨后，斯圖加特大學[14]的研究小組報道用同樣的方法制備的Cu

7、InS2薄膜太陽電池其轉(zhuǎn)化效率達到了12.2%。Siemer[15]等人采用快速熱處理方法制備的CuInS2薄膜太陽電池轉(zhuǎn)化效率達到了11.4%(A=0.5cm2)。另外Nakabayashi[16]與Klenk[17]領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究小組均采用兩步法（先濺射金屬預(yù)制層后硫化）制備的薄膜太陽電池其轉(zhuǎn)化效率均超過了10%。在小組件（10-100cm2）、組件（>100cm2）電池的研究以及產(chǎn)業(yè)化方面CuInS2太陽電池也得到了很大的發(fā)展。德國Hahn-Meitner學院和Sulfurcell公司采用先濺射后硫化方法，制備了面積為17.1cm2的

8、CuInS2型薄膜太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率達到9.3％，并且已經(jīng)在德國建成組件面積為120×60cm的1MW的生示范線。我國安泰科技和德國Odersun公司合作，以非真空環(huán)境下