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共蒸發(fā)-共濺射法制備的CIGS太陽能電池薄膜的剝蝕和光譜特征比較

時間:2020-6-17 閱讀:869
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本文研究了在鍍Mo膜鈉鈣玻璃(SLG)上共濺射和共蒸發(fā)工藝制備的CuIn1-xGaxSe2 (CIGS)吸收膜中主要和次要化學成分的LIBS光譜的影響,。結(jié)果表明,,共濺射技術(shù)制備的CIGS層的單脈沖剝燒蝕率高于共蒸發(fā)技術(shù)制備的CIGS層,,從而導致各組分的LIBS信號強度較高,。通過對輻照表面形貌和LIBS信號強度變化的研究,發(fā)現(xiàn)共濺射技術(shù)制備的CIGS薄膜存在元素分餾現(xiàn)象,,而共蒸發(fā)技術(shù)制備的CIGS薄膜沒有元素分餾現(xiàn)象,。通過x射線衍射檢測,證實了兩種不同類型CIGS吸收膜的剝蝕和光譜特性的差異是導致其結(jié)晶性能差異的原因,。此外,,LIBS可以有效地測定從SLG擴散而來的CIGS薄膜中鈉濃度的深度剖析。

2. 用共蒸發(fā)和共濺射制備CIGS吸收膜的典型LIBS譜(門延遲=0.5μs

2中較高的光譜強度和圖5中較高的計算電子數(shù)密度證實了濺射膜上發(fā)生了更強的原子化和離子化作用,。由于兩種薄膜的激光剝蝕條件相同,,所觀察到的濺射薄膜中CIGS元素的高發(fā)射線強度與剝蝕速率增強有關(guān)。為驗證濺射膜和蒸發(fā)膜的剝蝕速率差異,,研究了濺射膜和蒸發(fā)膜的光譜隨激光脈沖數(shù)的變化,。具體來說,兩種樣品的LIBS光譜記錄如圖6(a)和圖6(b)所示,,利用在386.411nm390.296 nm處檢測Mo發(fā)射譜線來確定Mo層的激光剝蝕開始的點,。注意,兩種類型的CIGS薄膜厚度是相同的,,均為1.23μm,。InGa,、Mo強度的變化按10個脈沖的大值歸一化,,總結(jié)為激光脈沖數(shù)的函數(shù),如圖7所示,。在濺射膜的情況下(7 (a)),, Mo峰的強度在第4次脈沖時急劇增加,,說明需要4次激光脈沖才能去除整個CIGS層,。相反,GaIn的峰強在第4次脈沖后迅速下降,。對于蒸發(fā)膜,,在第8次脈沖時觀察到Mo峰強度的增加和InGa強度的下降(圖7 (b))。對這兩種類型的CIGS薄膜剝蝕表面的觀察發(fā)現(xiàn),,剝蝕和剝蝕坑形態(tài)特征*不同,,如圖8所示。注意,,兩個樣品的表面在激光照射前有相似的結(jié)構(gòu),。首先,圖8(a)和圖8(b)中剝蝕坑的低放大率(x250)圖像顯示,兩種樣品的CIGS薄膜幾乎被整個激光點均勻地剝蝕了,,直到脈沖數(shù)增加時出現(xiàn)了一些不均勻的剝蝕坑底部輪廓,。然而,,*脈沖之后,,濺射膜的表面開始出現(xiàn)多孔的外觀(8(a)),,這可能是由于不同組成元素的部分剝蝕造成的,。隨著脈沖數(shù)的增加,,由于剝蝕表面的熔化和隨后的再凝固,,表面的多孔外觀變得不那么明顯,。在第4次脈沖時,中間的CIGS層破裂,,顯露出底層(Mo),,這標志著圖7(a)中第4次脈沖時Mo信號強度急劇增加。注意圖7(a)中濺射膜的Ga線強度在第四次激光脈沖時增大,,而In峰則呈連續(xù)下降趨勢,,這就表示不同組成元素的優(yōu)先汽化。如果進行LIBS分析時,,假設(shè)峰值強度與樣品的原始成分成正比,,那么觀察到的濺射薄膜的元素分餾可能成為CIGS層元素成分測量誤差的來源,。另一方面,,蒸發(fā)膜在*脈沖剝蝕后呈現(xiàn)出*不同的表面形貌,即表面均勻熔化,,沒有氣孔(8(b)),。隨著脈沖數(shù)的增加,蒸發(fā)膜的表面形貌幾乎保持不變,,直到第七次脈沖剝蝕時,,膜的中部發(fā)生破裂,這也標志著圖7(b)Mo信號強度的突然增加,。通過激光脈沖26觀察到的蒸發(fā)膜燒蝕表面形態(tài)的一致性可能表示是減少元素分餾來去除質(zhì)量,,使得圖7(b)GaIn峰的強度比更加一致。這些結(jié)果表明,,僅考慮蒸發(fā)膜的LIBS強度測量就可以得到更準確的元素濃度估計值,。

 

6. (a)濺射膜和(b)蒸發(fā)膜中在386.411 nm390.296 nmMo譜線的LIBS

7. (a)濺射膜和(b)蒸發(fā)膜的InGa,、Mo峰的歸一化強度隨激光脈沖數(shù)的變化

在本研究中,,使用LIBS對應(yīng)用共濺射法和共蒸發(fā)法制備的兩種CIGS薄膜太陽能電池的吸收層進行了元素分析,研究了制備工藝對LIBS光譜的影響,。結(jié)果表明,,濺射膜中各組成元素的LIBS強度明顯高于相同組成、相同厚度的蒸發(fā)膜,。相反,,濺射膜揭示了不同元素可能優(yōu)先汽化的證據(jù),通過LIBS對元素組成進行精確計算這是必須要考慮到的,。另一方面,,蒸發(fā)膜在單線強度上表現(xiàn)出高度的一致性。兩種不同方法制備的CIGS薄膜在LIBS信號特性上的差異是由兩種方法制備的CIGS層的晶體特性的根本差異引起的,。這些結(jié)果證實了CIGS太陽能電池的LIBS元素分析的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)該包括制造工藝和所得到的材料特性,。

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