探索高效太阳能电池背后的“隐形英雄”——纳米晶钼薄膜

搁浅

探索高效太阳能电池背后的“隐形英雄”——纳米晶钼薄膜（ DOI: 10.1016/j.jmst.2019.05.023）

在当今能源转型的关键时期，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，正受到全球的广泛关注。而太阳能电池作为将太阳能转化为电能的核心部件，其性能的提升一直是科研人员的研究重点。今天，就让我们来揭开一种在太阳能电池中发挥关键作用的材料——纳米晶钼（Mo）薄膜的神秘面纱。

一、钼薄膜的“魅力”所在

钼是一种性能卓越的金属，具有高熔点（2160°C）、低密度（10.2 g/cm³）以及在高温下出色的强度。这些特性使得钼在航空航天、国防和能源等多个领域都有着广泛的应用。在太阳能电池领域，钼薄膜因其优异的电学性能、化学惰性以及在吸收层生长过程中的机械稳定性，成为了CIGS（铜铟镓硒）和CIS（铜铟硒）薄膜太阳能电池中背接触层的首选材料。

二、制备工艺的关键影响

钼薄膜的制备通常采用射频磁控溅射技术。这种技术能够精确控制薄膜的生长过程，从而实现对薄膜结构和性能的调控。研究表明，制备过程中两个关键参数——衬底温度（Ts）和工作气压（PAr）对钼薄膜的微观结构和宏观性能有着显著的影响。

（一）衬底温度的影响

当衬底温度从25°C升高至500°C时，钼薄膜的晶体结构表现出明显的（110）取向，并且平均晶粒尺寸从9纳米增加到22纳米。这种结构的变化直接导致了薄膜电学性能的显著提升，电阻率从55微欧·厘米降低到10微欧·厘米。

Fig. 1. (a) GIXRD patterns of Mo films deposited at various Tsand (b) high-resolution scans of the Mo (110).

Fig. 2. Variation of average crystallite size and lattice strain of Mo films with Ts.

同时，随着温度的升高，薄膜的表面形貌也从粗糙的颗粒状逐渐转变为更加光滑、致密的结构，这种结构的优化有助于提高太阳能电池的光电转换效率。

Fig. 3. Top-view SEM images of Mo films deposited under variable Ts.

（二）工作气压的影响

工作气压的变化同样对钼薄膜的性能产生重要影响。在较低的气压（3-6毫托）下，钼薄膜展现出较低的电阻率和较高的载流子迁移率，这是由于低气压下溅射粒子的动能较大，能够形成更加致密的薄膜结构。然而，随着气压的升高，薄膜的电阻率显著增加，载流子迁移率降低，这主要是由于气压升高导致溅射粒子的动能减小，薄膜的致密性和结晶度下降。

Fig. 4. GIXRD patterns of Mo films deposited at various PAr: (a) high resolution scan of Mo (110) peak; (b) lattice strain; (c) full width at half maximum of (110) peak.

三、优化条件的探索与意义

       通过对衬底温度和工作气压的系统研究，研究人员成功确定了制备高性能钼薄膜的最佳条件。在200-500°C的衬底温度范围内，结合3-6毫托的工作气压，能够得到具有优异结构、形貌、电学和光学特性的钼薄膜。这些薄膜不仅电阻率低，而且具有良好的反射性能，能够有效地提高太阳能电池的性能。这种对钼薄膜制备条件的优化，不仅为太阳能电池技术的发展提供了重要的材料支持，也为其他需要高性能金属薄膜的领域提供了宝贵的参考。未来，随着对钼薄膜性能的进一步提升和成本的降低，我们有理由相信，太阳能电池的效率和稳定性将得到更大的突破，为实现全球能源的可持续发展贡献更大的力量。在能源转型的道路上，每一个小小的进步都可能带来巨大的变革。纳米晶钼薄膜的研究成果，正是这一变革中的重要一步。让我们期待在不久的将来，太阳能电池能够以更高的效率、更低的成本走进千家万户，为我们的生活带来更加清洁、绿色的能源。


（注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）