第九講_CIGS薄膜太陽(yáng)能電池ppt課件

1、銅銦鎵硒銅銦鎵硒(CIGS)(CIGS)薄膜太陽(yáng)薄膜太陽(yáng)能電池能電池CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池薄膜太陽(yáng)能電池 這種以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)這種以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽(yáng)能電池，簡(jiǎn)稱(chēng)為銅銦鎵硒電池稱(chēng)為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結(jié)構(gòu)是：電池。其典型結(jié)構(gòu)是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多層膜典型結(jié)。（多層膜典型結(jié)構(gòu)：金屬柵構(gòu)：金屬柵/減反膜減反膜/透明電極透明電極/窗口層窗口層/過(guò)渡層過(guò)渡層/光吸收層光吸收層/背背電極電極/玻璃）玻璃） CIGS薄膜電池組成可表示成薄膜電池組成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黃銅礦相結(jié)

2、構(gòu)，是的形式，具有黃銅礦相結(jié)構(gòu)，是CuInSe2和和CuGaSe2的混晶半導(dǎo)體。的混晶半導(dǎo)體。 CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀70年代年代Bell實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室Shaly等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導(dǎo)體材料等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導(dǎo)體材料CIS的生長(zhǎng)機(jī)理、電學(xué)的生長(zhǎng)機(jī)理、電學(xué)性質(zhì)及在光電探測(cè)方面的應(yīng)用性質(zhì)及在光電探測(cè)方面的應(yīng)用 1974年，年，Wagner利用單晶利用單晶ClS研制出高效太陽(yáng)能電池研制出高效太陽(yáng)能電池,制備困難制約了單晶制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)電池發(fā)展展1976年，年，Kazmerski等制備出了世界上第一個(gè)等制備出了世界上第一個(gè)ClS多晶薄膜太陽(yáng)

3、能電池多晶薄膜太陽(yáng)能電池80年代初，年代初，Boeing公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9.4%的高效的高效CIS薄膜電池薄膜電池80年代期間，年代期間，ARCO公司開(kāi)發(fā)出兩步公司開(kāi)發(fā)出兩步(金屬預(yù)置層后硒化金屬預(yù)置層后硒化)工藝，方法是先濺射沉積工藝，方法是先濺射沉積Cu、In層，然后再在層，然后再在HSe中退火反應(yīng)生成中退火反應(yīng)生成CIS薄膜，轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)薄膜，轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)10% 1994年，瑞典皇家工學(xué)院報(bào)道了面積為年，瑞典皇家工學(xué)院報(bào)道了面積為0.4cm效率高達(dá)效率高達(dá)17.6%的的ClS太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池90年代后期，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室年代后期，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)

4、室(NREL)一直保持著一直保持著CIS電池的最高效率記錄，并電池的最高效率記錄，并2019年，將年，將Ga代替部分代替部分In的的CIGS太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了太陽(yáng)能電池的效率達(dá)到了18.8%，2019年更提高到年更提高到19.9% 薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的歷程太陽(yáng)能電池的分類(lèi)按制備材料的不同硅基太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電

5、池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池目前,綜合性能最好的薄膜太陽(yáng)能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽(yáng)能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽(yáng)能電池硅基太陽(yáng)能電池納米晶太陽(yáng)能電池有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池主

6、要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽(yáng)能電池CIGS的晶體結(jié)構(gòu)CuInSe2黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)CuInSe2復(fù)式晶復(fù)式晶格格:a=0.577,c=1.154直接帶隙半導(dǎo)體，其光吸收系數(shù)高直接帶隙半導(dǎo)體，其光吸收系數(shù)高達(dá)達(dá)105量級(jí)量級(jí)禁帶寬度在室溫時(shí)是禁帶寬度在室溫時(shí)是1.04eV，電子，電子遷移率和空穴遷移率分遷移率和空穴遷移率分3.2X102(cm2/Vs)和和1X10(cm2/Vs)通過(guò)摻入適量的通過(guò)摻入適量的Ga以替代部分以替代部分In，形成形成CulnSe2和和CuGaSe2的固熔晶的固熔晶體體Ga的摻入會(huì)改變晶體的晶格常數(shù)，的摻入會(huì)改變晶體的晶格常數(shù)，改變了原子之間

7、的作用力改變了原子之間的作用力,最終實(shí)現(xiàn)最終實(shí)現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變，在了材料禁帶寬度的改變，在1.04一一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整，范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整，以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率自室溫至自室溫至810保持穩(wěn)定相保持穩(wěn)定相,使制膜使制膜工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單, 可操作性強(qiáng)可操作性強(qiáng).CIGS的電學(xué)性質(zhì)及主要缺陷富富Cu薄膜始終是薄膜始終是p型，而富型，而富In薄膜則既可能薄膜則既可能為為p型，也可能為型，也可能為n型。型。n型材料在較高型材料在較高Se蒸蒸氣壓下退火變?yōu)闅鈮合峦嘶鹱優(yōu)閜型傳導(dǎo)型傳導(dǎo);相反，相反，p型材料在較型材料在較低低Se蒸氣壓下退火則變?yōu)檎魵鈮合峦嘶饎t變

8、為n型型 CIS中存在上述的本征缺陷，中存在上述的本征缺陷，影響薄膜的電學(xué)性質(zhì)影響薄膜的電學(xué)性質(zhì) .Ga的的摻入影響很小摻入影響很小.CIGS的光學(xué)性質(zhì)及帶隙 CISCIS材料是直接帶隙材料，材料是直接帶隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,Cu(In,Ga,Al)Se2,其帶隙在其帶隙在1.02eV-2.7eV1.02eV-2.7eV范圍變化，覆蓋了可見(jiàn)太陽(yáng)光譜范圍變化，覆蓋了可見(jiàn)太陽(yáng)光譜lIn/GaIn/Ga比的調(diào)整可使比的調(diào)整可使CIGSCIGS材料的帶隙范圍覆蓋材料的帶隙范圍覆蓋1.01.0一一l.7eVl.7eV，CIGSCIGS其帶隙值隨其帶隙值隨GaGa含量含量x x變化滿變化

9、滿足下列公式其中，足下列公式其中，b b值的大小為值的大小為0.150.15一一0.24eV0.24eVlCIGS的性能不是的性能不是Ga越多性能越好的，因?yàn)槎搪冯娏魇请S越多性能越好的，因?yàn)槎搪冯娏魇请S著著Ga的增加對(duì)長(zhǎng)波的吸收減小而減小的。的增加對(duì)長(zhǎng)波的吸收減小而減小的。l當(dāng)當(dāng)x=Ga/(Ga+In)0.3時(shí)，隨著時(shí)，隨著x的增加，的增加，Eg減小，減小，Voc也減小。也減小。l G.Hanna等也認(rèn)為等也認(rèn)為x=0.28時(shí)材料缺陷最少，電池性能最時(shí)材料缺陷最少，電池性能最好。好。CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過(guò)渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo

10、玻璃襯底低阻AZO高阻ZnO金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過(guò)渡層CdS光吸收層CIGS金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極

11、金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗

12、口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極玻璃襯底金屬背電極Mo光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極結(jié)構(gòu)原理l減反射膜：增加入射率lAZO： 低阻，高透，歐姆接觸li-ZnO：高阻，與CdS構(gòu)成n區(qū)lCdS： 降低帶隙的不

13、連續(xù)性，緩l 沖晶格不匹配問(wèn)題lCIGS： 吸收區(qū)，弱p型，其空間電l 荷區(qū)為主要工作區(qū)lMo: CIS的晶格失配較小且熱膨 脹系數(shù)與CIS比較接近CIGS薄膜電池的異質(zhì)結(jié)機(jī)理 CIGS電池的實(shí)質(zhì)：窗口-吸收體結(jié)構(gòu)的異質(zhì)p-n結(jié)太陽(yáng)能電池 光CIGS(弱p)(1.01.7eV)CdS (n)(2.4eV)ZnO (n)(3.2eV)N區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)光生電流電壓）CIGS能帶的失調(diào)值對(duì)電池的影響l電子親合能不同,產(chǎn)生導(dǎo)帶底失調(diào)值Ec和價(jià)帶失調(diào)值Evl禁帶寬度可調(diào): Ec0或0的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)提高電池的轉(zhuǎn)換效率有利。當(dāng)EcO.5eV以后，開(kāi)路電壓明顯下降，同時(shí)短路電流也急劇下降.高效電池Ec的理想范圍在0

14、-0.4eV之間，一般以0.2-0.3ev為宜CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn) 材料吸收率高材料吸收率高,吸收系數(shù)高達(dá)吸收系數(shù)高達(dá)105量級(jí)量級(jí),直接帶隙直接帶隙,適合薄膜適合薄膜化化,電池厚度可做到電池厚度可做到23微米微米,降低昂貴的材料成本降低昂貴的材料成本 光學(xué)帶隙可調(diào)光學(xué)帶隙可調(diào).調(diào)制調(diào)制Ga/In比比,可使帶隙在可使帶隙在1.01.7eV間變化間變化,可使吸收層帶隙與太陽(yáng)光譜獲得最佳匹配可使吸收層帶隙與太陽(yáng)光譜獲得最佳匹配 抗輻射能力強(qiáng)抗輻射能力強(qiáng).通過(guò)電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動(dòng)、通過(guò)電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動(dòng)、加速度沖擊等試驗(yàn)加速度沖擊等試驗(yàn),光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變光電轉(zhuǎn)換效率

15、幾乎不變.在空間電源方在空間電源方面有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力面有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng)不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng) 電池效率高電池效率高.小面積可達(dá)小面積可達(dá)19.9%,大面積組件可達(dá)大面積組件可達(dá)14.2% 弱光特性好弱光特性好.對(duì)光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能對(duì)光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.CIGS太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀 在20世紀(jì)90年代, CIGS薄膜太陽(yáng)能電池得到長(zhǎng)足的發(fā)展, 日本NEDO新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)能發(fā)電首席科學(xué)家東京工業(yè)大學(xué)的小長(zhǎng)井誠(chéng)教授認(rèn)為: 銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池是第三代太陽(yáng)能電池的首選, 并且是單位重量輸出

16、功率最高的太陽(yáng)能電池。 所謂第三代太陽(yáng)能電池就是高效、低成本、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的銅銦鎵硒(CIGS)等化合物薄膜太陽(yáng)能電池注：第一代為單晶硅太陽(yáng)能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等低成本太陽(yáng)能電池）, 考慮太陽(yáng)能為綠色的能源和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素,發(fā)展前景將會(huì)十分廣闊。 CIS 薄膜的制備薄膜的制備 CIS薄膜的制備方法多種多樣薄膜的制備方法多種多樣,大致可以歸為三類(lèi)大致可以歸為三類(lèi): CuIn的合金過(guò)程和的合金過(guò)程和Se化分離；化分離； Cu、In、Se一起合金化；一起合金化； CuInSe2化合物的直接噴涂?；衔锏闹苯訃娡?。 主要的制備技術(shù)包括主要的制備技術(shù)包括:真空蒸鍍、電沉積、反應(yīng)濺射、化真空

17、蒸鍍、電沉積、反應(yīng)濺射、化學(xué)浸泡、快速凝固技術(shù)、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、噴學(xué)浸泡、快速凝固技術(shù)、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、噴射熱解等。射熱解等。 其中蒸鍍法所制備的其中蒸鍍法所制備的CIS太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高。太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高。 另外另外,電沉積工藝也以其簡(jiǎn)單低廉的制作過(guò)程得到了廣泛電沉積工藝也以其簡(jiǎn)單低廉的制作過(guò)程得到了廣泛研究研究,有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景 問(wèn)題以及前景問(wèn)題以及前景 CIS光伏材料優(yōu)異的性能吸引世界眾多專(zhuān)家研究了光伏材料優(yōu)異的性能吸引世界眾多專(zhuān)家研究了20年年 ,直到直到2000年才初步產(chǎn)業(yè)化年才初步產(chǎn)業(yè)化,其主要原因在于工藝的重復(fù)性其主要原因在于工藝的重

18、復(fù)性差差,高效電池成品率低。高效電池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是多元化合物半導(dǎo)薄膜是多元化合物半導(dǎo)體體,原子配比以及晶格匹配性往往依賴于制作過(guò)程中對(duì)主原子配比以及晶格匹配性往往依賴于制作過(guò)程中對(duì)主要半導(dǎo)體工藝參數(shù)的精密控制。目前要半導(dǎo)體工藝參數(shù)的精密控制。目前,CIS薄膜的基本特性薄膜的基本特性及晶化狀況還沒(méi)有完全弄清楚及晶化狀況還沒(méi)有完全弄清楚,無(wú)法預(yù)測(cè)無(wú)法預(yù)測(cè)CIS材料性能和器材料性能和器件性能的關(guān)系。件性能的關(guān)系。CIS膜與膜與Mo襯底間較差的附著性也是成品襯底間較差的附著性也是成品率低的重要因素。同時(shí)在如何降低成本方面還有很大空間。率低的重要因素。同時(shí)在如何降低成本方面還有很大空間。以上這些都是世界各國(guó)研究以上這些都是世界各國(guó)研究CIS光伏材料的