無(wú)機(jī)化合物電池剖析課件

1、無(wú)機(jī)化合物電池發(fā)展概述 第二組 太陽(yáng)光輻射主要是以可見(jiàn)光為中心，分布于0.3微米至幾微米光譜范圍，對(duì)應(yīng)光子能量0.4eV4eV之間，總體來(lái)說(shuō)，理想太陽(yáng)能電池材料需要具備：能帶在1.1eV1.7eV之間(對(duì)應(yīng)光波長(zhǎng)范圍0.731.13m)直接能帶半導(dǎo)體組成材料無(wú)毒性可利用薄膜沉積技術(shù)且可大面積制備有良好的光電轉(zhuǎn)換效率具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性砷化鎵（GaAs）太陽(yáng)能電池砷化鎵 （GaAs）電池GaAs屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料，其能隙與太陽(yáng)光譜的匹配較適合，且能耐高溫。與硅太陽(yáng)電池相比，GaAs 太陽(yáng)電池具有較好的性能。 優(yōu)點(diǎn) 1.光吸收系數(shù)高。 2.帶隙寬度與太陽(yáng)光譜匹配。 3.耐高溫性能好。 4.

2、抗輻照性能強(qiáng)。 1.砷化鎵基單結(jié)太陽(yáng)能電池1.1GaAs/GaAs同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池60年代初A.Gbat等人首次采用擴(kuò)散法制備出原理與硅太陽(yáng)能電池類似的GaAs太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)化效率不到10%。到了70-80年代，采用液相外延技術(shù)（LPE）制備的GaAs/GaAs太陽(yáng)能電池最高效率達(dá)到21%。LPE技術(shù)存在GaAs表面復(fù) 合速率高，多層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生長(zhǎng)難以實(shí)現(xiàn)和外延層參數(shù)難以精確控制等問(wèn)題，限制了GaAs太陽(yáng)能電池性能的進(jìn)一步提高，而GaAs同質(zhì)結(jié)材料密度大，機(jī)械性能差，價(jià)格貴等缺點(diǎn)，也限制了電池的應(yīng)用空間。這些問(wèn)題促使人們尋找新的方法研究GaAs太陽(yáng)能電池。1.2GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池

3、結(jié)構(gòu)：上電極，AlGaAs窗口層，GaAs發(fā)射結(jié)構(gòu)， GaAs基區(qū)， GaAs緩沖區(qū)，Ge襯底，下電極。20世紀(jì)80年代，美國(guó)的ASEC公司開(kāi)始采用有機(jī)物化學(xué)氣相外延淀積 （MOCVD）技術(shù)，并采用Ge代替GaAs做襯底，研制出GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。保持了高效率，抗輻射和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)Ge機(jī)械強(qiáng)度高，價(jià)格是GaAs的30%，MOCVD技術(shù)使太陽(yáng)能電池表面更加平整,各層厚度均勻，濃度準(zhǔn)確可控，GaAs電池性能有很大改善，效率也進(jìn)一步提高。到了20世紀(jì)90年代，很快替代了同質(zhì)結(jié)電池。2.砷化鎵基多結(jié)太陽(yáng)能電池采用不同禁帶寬帶的-族材料制備的多結(jié)疊層GaAs太陽(yáng)能電池，通過(guò)禁帶寬帶由大

4、到小組合，使這些材料可以分別吸收和轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光譜中不同波長(zhǎng)的光，大幅提高電池的轉(zhuǎn)換效率。雙結(jié)疊層電池由兩種不同禁帶寬度的材料制成，通過(guò)隧穿結(jié)串接而成，研究比較成熟，主要有AlGaAs / GaAs，GaInP/GaAs, GaInAs/InP等。在GaInP/GaAs基礎(chǔ)上研制出了三結(jié)太陽(yáng)能電池，主要是GaInP/GaAs/Ge，有很好的高溫特性，聚光顯著提高電流輸出，特別實(shí)現(xiàn)高倍聚光后，可獲得更高的功率輸出。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)數(shù)越多，效率越高，因此四結(jié)五結(jié)的研制將是太陽(yáng)能電池研究的熱點(diǎn)。3.GaAs基量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池量子點(diǎn)是第三代太陽(yáng)能電池。（第一代是硅非晶硅，第二代是薄膜）量子點(diǎn)(quantumd

5、ots，QDs)又可稱為納米晶，是由有限數(shù)目的原子組成，三個(gè)維度尺寸均在納米數(shù)量級(jí)。量子點(diǎn)一般為球形或類球形，是由半導(dǎo)體材料(通常由II BB或IIIBVB元素組成)制成的、穩(wěn)定直徑在220 nm的納米粒子。量子點(diǎn)是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導(dǎo)體材料組成，如由IIVI族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIV族元素(如InP、InAs等)組成，也可以由兩種或兩種以上的半導(dǎo)體材料組成。產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望砷化鎵電池主要還是應(yīng)用在宇宙空間探測(cè)利用等方面，在地面使用較少。存在的問(wèn)題 制備費(fèi)用高；砷有毒，對(duì)于環(huán)境安全 和生產(chǎn)工人自身身體安全都是一個(gè)不小的威脅；目前的

6、砷化鎵電池由于自身物理因素的限制，一般制成帶襯底的薄膜電池，需要構(gòu)造隧道和防止形成寄生的p/n結(jié)，這增加了技術(shù)的難度一種比較有前途的光伏發(fā)電裝置，對(duì)促進(jìn)未來(lái)人類新能源利用，創(chuàng)造潔凈生存環(huán)境是一個(gè)好的備選項(xiàng). 碲化鎘（CdTe）太陽(yáng)能電池 一種以p型CdTe和n型Cd的異質(zhì)結(jié)為基礎(chǔ)的薄膜太陽(yáng)能電池，是在玻璃或是其它柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構(gòu)成的光伏器件。 第一個(gè)碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池是由RCA實(shí)驗(yàn)室于1976年在CdTe單晶上鍍上In的合金制得的，其光電轉(zhuǎn)換效率為2.1%。20世紀(jì)90年代初，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，但市場(chǎng)發(fā)展緩慢，市場(chǎng)份額一直徘徊在1%左右。目前碲化鎘薄膜太陽(yáng)

7、能電池在實(shí)驗(yàn)室中獲得的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到17.3%。其商用模塊的轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了10%左右。 碲化鎘薄膜電池的結(jié)構(gòu) 一般標(biāo)準(zhǔn)的碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池由五層結(jié)構(gòu)組成: 玻璃襯底 起支架、防止污染和入射太陽(yáng)光的作用。TCO層即透明導(dǎo)電氧化層。透光和導(dǎo)電的作用。CdS窗口層 n型半導(dǎo)體， 與p型CdTe組成p-n結(jié)。CdTe吸收層 主體吸光層， 與n型的CdS窗口層形成的 p-n結(jié)是整個(gè)電池最核心的部分。背接觸層和背電極 降低CdTe 和金屬電極的接觸勢(shì)壘，引 出電流，使金屬電極與CdTe 形成歐姆接觸。 碲化鎘薄膜電池優(yōu)點(diǎn)理想的禁帶寬度 CdTe的禁帶寬度一般為1.45eV，CdTe的光譜響應(yīng)和

8、太陽(yáng)光譜非常匹配。高光吸收率 吸收系數(shù)在可見(jiàn)光范圍高達(dá)104cm-1以上，95%的光子可在1m厚的吸收層內(nèi)被吸收。轉(zhuǎn)換效率高 理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28%。電池性能穩(wěn)定 一般設(shè)計(jì)使用時(shí)間為20年。電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造成本低，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。碲化鎘電池發(fā)展趨勢(shì)及展望 問(wèn)題： 地球上碲的儲(chǔ)藏量是否能滿足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用；含有重金屬元素鎘等 目前，碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本正在逐步接近、甚至低于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的，這種廉價(jià)的清潔能源在全世界范圍內(nèi)引起了關(guān)注，各國(guó)均在大力研究解決制約碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展的因素。 銅銦硒(CIS)太陽(yáng)能薄膜電池CIS太陽(yáng)電池的典型結(jié)構(gòu)金屬柵狀電極減反射膜窗口層(Z

9、nO)緩沖層(CdS或ZnS)吸收層(CIS)金屬背電極(Mo)襯底 CIS（CuInSe2、CuInS2的縮寫）電池是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上沉積若干層金屬化合物半導(dǎo)體薄膜，薄膜總厚度大約為23微米，直接帶隙半導(dǎo)體。CIS薄膜太陽(yáng)能電池CIS材料的光吸收系數(shù)是現(xiàn)有太陽(yáng)能電池材料中最高的，可使薄膜做得很薄，減低成本。CIS具有本征缺陷自摻雜特性，不需要其他元素的摻雜，僅通過(guò)調(diào)整自身元素的成分就可以獲得不同的導(dǎo)電類型。通過(guò)控制Cu/In與S(Se)/(Cu+In)之比來(lái)控制導(dǎo)電類型。目前，CuInSe2和CuInS2薄膜太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了17.1%和13%，雖比不上多晶硅電池，但其

10、成本低，且發(fā)展?jié)摿Υ?。進(jìn)一步摻入Ga元素還可以提高CIS電池的整體性能CIS 薄膜太陽(yáng)能電池的制備CIS薄膜的制備方法多種多樣,大致可以歸為三類: CuIn的合金過(guò)程和Se化分離；Cu、In、Se一起合金化；CuInSe2化合物的直接噴涂。主要的制備技術(shù)包括:真空蒸鍍、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、噴射熱解等。其中蒸鍍法所制備的CIS太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高。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,有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景 CIS量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池CuInSe2量子點(diǎn)的制備以TOPSe為硒源的熱注入法，以油胺作活化劑液相合成CuInSe2量子點(diǎn)。CuInS2

11、量子點(diǎn)制備金屬有機(jī)化合物熱注射，油胺活化，單源前軀物熱解法?；玖鞒蹋呵逑?ITO 玻璃基板鍍背電極（Mo）在背電極上鍍CIS用化學(xué)水浴法在CIS上沉積緩沖層（CdS或ZnS）鍍減反射層（ZnO）蒸鍍柵狀前電極（Al） CIS量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池典型結(jié)構(gòu)銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池光吸收層CIGS過(guò)渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜：增加入射率AZO： 低阻，高透，歐姆接觸i-ZnO：高阻，與CdS構(gòu)成n區(qū)CdS： 降低帶隙的不連續(xù)性，緩 沖晶格不匹配問(wèn)題CIGS： 吸收區(qū)，弱p型，其空間電 荷區(qū)為主要工作區(qū)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采

12、用磁控濺射的方法,工藝路線比較成熟最關(guān)鍵的吸收層的制備有許多不同的方法，這些沉積制備方法包括:蒸發(fā)法、濺射后硒法、電化學(xué)沉積法、噴涂熱解法和絲網(wǎng)印刷法1.襯底溫度保持在約350 左右，真空蒸發(fā)In，Ga，Se三種元素，首先制備形成(In，Ga)Se預(yù)置層。2.將襯底溫度提高到550一580，共蒸發(fā)Cu，Se，形成表面富Cu的薄膜。3.保持第二步的襯底溫度不變，在富Cu的薄膜表面再根據(jù)需要補(bǔ)充蒸發(fā)適量的In、Ga、Se，最終得到的薄膜。三步共蒸發(fā)法CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)材料吸收率高,吸收系數(shù)高達(dá)105量級(jí),直接帶隙,適合薄膜化,電池厚度可做到23微米,降低昂貴的材料成本光學(xué)帶隙可調(diào).調(diào)制Ga/In比,可使帶隙在1.01.7eV間變化,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).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),光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變.在空間電源方面有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng)電池效率高.小面積可達(dá)19.9%,大面積組件可達(dá)14.2%弱光特性好.對(duì)光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.CIGS電池分析1.工業(yè)制造方面：優(yōu)化產(chǎn)量、提高生產(chǎn)能力、降低投資成本和材料損耗；控制CIGS吸收層的沉積時(shí)間；減少投入的原料（膜厚度、純度）；可替代緩沖層的制備、大面積柔性組件制備；低成本的封裝工