CIGS太陽(yáng)電池材料結(jié)構(gòu)與特性

1、CIGS 太陽(yáng)電池材料結(jié)構(gòu)與特性1.CIGS元件構(gòu)造CIGS薄膜太陽(yáng)電池具有層狀結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)為：蘇打玻璃(Soda-lime glass, SLG)/Mo薄膜電極 /p 型吸收層 CIGS 薄膜 /n 型緩衝層 CdS 薄膜 / 雙層結(jié)構(gòu)的 ZnO 薄膜窗口層 (i-ZnO/n-ZnO)/ 抗反射層 MgF 2 /Ni-Al 電極薄膜1 ，如圖 1 所示。圖 1 CIGS 薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖12.CIGS 吸收層特性- - 2 的太陽(yáng)電池薄膜的化學(xué)成分較佳的比值為Cu ： In ： Se = 1： 1：2的成分組成，其銅對(duì)三族(Cu/ ) 最佳理想化學(xué)計(jì)量比值近於0.9326。 -族的

2、CIGS薄膜太陽(yáng)電池為黃銅礦(Chalcopyrite)晶體結(jié)構(gòu)，而黃銅礦結(jié)構(gòu)由閃鋅礦結(jié)構(gòu)(Sphalerite)演變而來(lái)。閃鋅礦結(jié)構(gòu)如圖2 (a) 所示，是以族鋅和族硒原子組成的。黃銅礦結(jié)構(gòu)如圖2 (b)所示，I 族 Cu和族In元素取代的Zn原子的位子，原本族的硒(Se) 則維持不變，且黃銅礦立方晶格c 軸方向單位長(zhǎng)度大約為閃鋅礦結(jié)構(gòu)的兩倍，故此結(jié)構(gòu)實(shí)為兩個(gè)閃鋅礦結(jié)構(gòu)所形成。在黃銅礦結(jié)構(gòu)中每個(gè)銅原子都有四個(gè)鍵結(jié)連接到一個(gè)硒原子上，且每個(gè)銦也有四個(gè)鍵結(jié)連接到一個(gè)硒原子上，所以表示每個(gè) Se 原子有兩個(gè)鍵鍵結(jié)到Cu和兩個(gè)鍵鍵結(jié)到In 。由於黃銅礦結(jié)構(gòu)中，有部分因不同原子半徑所造成的晶格畸變，因

3、此，此結(jié)構(gòu)之晶格比例c/a不等於2，所以導(dǎo)致I- (Cu-Se) 原子和 - (InSe/Ga -Se) 原子之間的鍵結(jié)強(qiáng)度也會(huì)不相同。圖 2 (a) 閃鋅礦結(jié)構(gòu) (b) 黃銅礦結(jié)構(gòu) 2由圖 3 所示，CuInSe 2 為黃銅礦結(jié)構(gòu)屬於四方晶系(Tetragonal crystalsystem) ，在室溫時(shí)，當(dāng)Cu 的化學(xué)成份比介於24 至 24.5 at % ，會(huì)有CuInSe 2( )相存在，且當(dāng)退火熱處理溫度達(dá)到973K 時(shí)， CuInSe 2 薄膜的成分組成可容許約5mol% 的變異誤差，這表示即便CuInSe 2 薄膜成份組成偏離比值Cu:In:Se=1:1:2的成份組成，只要在該組

4、成區(qū)域範(fàn)圍內(nèi)，就能具有黃銅礦結(jié)構(gòu)及其相同的物理和化學(xué)性質(zhì)。然而 CuInSe 2 薄膜偏移化學(xué)組成時(shí)，處?kù)陡籆u (Cu-rich)的情況下，會(huì)得到混合的 和Cu 2 Se 的相。換句話說(shuō)，當(dāng)薄膜處?kù)陡籌n (In-rich)的情況下，會(huì)得到混合的 和有序缺陷化合物 (Ordered defect compound, ODC)相存在。另外，在 Cu 2 SeIn 2 Se3相圖中存在 與 相分別是代表(CuIn 3 Se5 )、 (CuIn 5 Se 8)，而 稱(chēng)為有序空位化合物(Ordered vacancy compound , OVC)。圖 3 Cu 2 SeIn 2 Se3 二元相圖

5、3由圖 4 所示， Cu 化學(xué)計(jì)量成份在25 at % 時(shí)， CuInSe 2 不會(huì)以單晶相的情況存在，且於室溫時(shí)， CuInSe 2 單晶相的形成區(qū)間相當(dāng)狹窄。另一方面，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著退火熱處理溫度提升，CuInSe2 單晶相的形成區(qū)間也隨之變寬，直到退火熱處理溫度超過(guò)700 o C(973K) 時(shí)，CuInSe2 單晶相的形成區(qū)間才又急速變窄。且CuInSe2 單晶相的區(qū)間朝著富In方向?qū)捇?，Cu化學(xué)計(jì)量成份在22 至24 at %的區(qū)間，就能得到CuInSe2 單晶相。圖 4 CuInSe 2 之相類(lèi)似的二元相圖是延著藉由不同的熱處理溫度分析和結(jié)構(gòu)相圖分析所建立的 In 2 Se3

6、 和 Cu 2 Se 二元混合物曲線 4References1L. M. Mansfield, I. L. Repins, S. Glynn, M. D. Carducci, D. M. Honecker, J. W. Pankow,M. R. Young, C. DeHart, R. Sundaramoorthy, C. L. Beall, B. To,“ Sodium-dopedmolybdenum targets for controllable sodium incorporation in CIGS solar cells” ,Photovoltaic Specialists Con

7、ference (PVSC) 37th IEEE, 2011,pp. 3636-3641.2T. Markvart and L. Castaner,“ Solar cells: materials and manufacture andoperation ” , Oxford, Elsevier Advanced Technology, 2005.3B. J. Stanbery, “ Copper indium selenides and related materials for photovoltaicdevices ” , Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 27, 2002, pp. 73-117.4M. Burgelman and A. Niemegeers,“ C