第九講-薄膜太陽能電池

第九講_薄膜太陽能電池第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS薄膜太陽能電池

這種以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池，簡稱為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結(jié)構(gòu)是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多層膜典型結(jié)構(gòu)：金屬柵/減反膜/透明電極/窗口層/過渡層/光吸收層/背電極/玻璃）CIGS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)構(gòu)，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半導(dǎo)體。第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

70年代Bell實驗室Shaly等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導(dǎo)體材料CIS的生長機(jī)理、電學(xué)性質(zhì)及在光電探測方面的應(yīng)用

1974年，Wagner利用單晶ClS研制出高效太陽能電池,制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)展1976年，Kazmerski等制備出了世界上第一個ClS多晶薄膜太陽能電池80年代初，Boeing公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9.4%的高效CIS薄膜電池80年代期間，ARCO公司開發(fā)出兩步(金屬預(yù)置層后硒化)工藝，方法是先濺射沉積Cu、In層，然后再在H２Se中退火反應(yīng)生成CIS薄膜，轉(zhuǎn)換效率也超過10%

1994年，瑞典皇家工學(xué)院報道了面積為0.4cm２效率高達(dá)17.6%的ClS太陽能電池90年代后期，美國可再生能源實驗室(NREL)一直保持著CIS電池的最高效率記錄，并1999年，將Ga代替部分In的CIGS太陽能電池的效率達(dá)到了18.8%，2008年更提高到19.9%

ＣＩＧＳ薄膜太陽能電池發(fā)展的歷程第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一太陽能電池的分類按制備材料的不同硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池納米晶太陽能電池主要:GaAsCdSCIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAsCdSCIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAsCdSCIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機(jī)聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池主要:GaAsCdSCIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS的晶體結(jié)構(gòu)CuInSe2黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)CuInSe2復(fù)式晶格:a=0.577,c=1.154直接帶隙半導(dǎo)體，其光吸收系數(shù)高達(dá)105量級禁帶寬度在室溫時是1.04eV，電子遷移率和空穴遷移率分3.2X102(cm2/V·s)和1X10(cm2/V·s)通過摻入適量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶體Ga的摻入會改變晶體的晶格常數(shù)，改變了原子之間的作用力,最終實現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變，在1.04一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計調(diào)整，以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率自室溫至810℃保持穩(wěn)定相,使制膜工藝簡單,可操作性強(qiáng).第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS的電學(xué)性質(zhì)及主要缺陷富Cu薄膜始終是p型，而富In薄膜則既可能為p型，也可能為n型。n型材料在較高Se蒸氣壓下退火變?yōu)閜型傳導(dǎo);相反，p型材料在較低Se蒸氣壓下退火則變?yōu)閚型CIS中存在上述的本征缺陷，影響薄膜的電學(xué)性質(zhì)

.Ga的摻入影響很小.第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS的光學(xué)性質(zhì)及帶隙CIS材料是直接帶隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其帶隙在1.02eV-2.7eV范圍變化，覆蓋了可見太陽光譜In/Ga比的調(diào)整可使CIGS材料的帶隙范圍覆蓋1.0一l.7eV，CIGS其帶隙值隨Ga含量x變化滿足下列公式其中，b值的大小為0.15一0.24eVCIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因為短路電流是隨著Ga的增加對長波的吸收減小而減小的。當(dāng)x=Ga/(Ga+In)<0.3時，隨著的增加，Eg增加，Voc也增加;x=0.3時帶隙為1.2eV;當(dāng)x>0.3時，隨著x的增加，Eg減小，Voc也減小。

G.Hanna等也認(rèn)為x=0.28時材料缺陷最少，電池性能最好。第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo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)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層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過渡層CdS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過渡層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)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層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過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層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過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一結(jié)構(gòu)原理減反射膜：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，緩沖晶格不匹配問題CIGS：吸收區(qū)，弱p型，其空間電荷區(qū)為主要工作區(qū)Mo:CIS的晶格失配較小且熱膨脹系數(shù)與CIS比較接近第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS薄膜電池的異質(zhì)結(jié)機(jī)理CIGS電池的實質(zhì)：窗口-吸收體結(jié)構(gòu)的異質(zhì)p-n結(jié)太陽能電池

光CIGS(弱p)(1.0~1.7eV)CdS(n)(2.4eV)ZnO(n)(3.2eV)N區(qū)內(nèi)建電場光生電流（電壓）第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS能帶的失調(diào)值對電池的影響電子親合能不同,產(chǎn)生導(dǎo)帶底失調(diào)值△Ec和價帶失調(diào)值△Ev禁帶寬度可調(diào):△Ec>0或<0討論:對負(fù)的△Ec而言，由于窗口層和吸收層界面之間的復(fù)合，將降低開路電壓;△Ec>0的能帶結(jié)構(gòu)對提高電池的轉(zhuǎn)換效率有利。當(dāng)△Ec>O.5eV以后，開路電壓明顯下降，同時短路電流也急劇下降.高效電池△Ec的理想范圍在0-0.4eV之間，一般以0.2-0.3ev為宜第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點材料吸收率高,吸收系數(shù)高達(dá)105量級,直接帶隙,適合薄膜化,電池厚度可做到2~3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1.0~1.7eV間變化,可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配抗輻射能力強(qiáng).通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動、加速度沖擊等試驗,光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變.在空間電源方面有很強(qiáng)的競爭力穩(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.對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS太陽能電池研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代,CIGS薄膜太陽能電池得到長足的發(fā)展,日本NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)）的太陽能發(fā)電首席科學(xué)家東京工業(yè)大學(xué)的小長井誠教授認(rèn)為:銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池的首選,并且是單位重量輸出功率最高的太陽能電池。所謂第三代太陽能電池就是高效、低成本、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的銅銦鎵硒(CIGS)等化合物薄膜太陽能電池（注：第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等低成本太陽能電池）,考慮太陽能為綠色的能源和環(huán)境驅(qū)動因素,發(fā)展前景將會十分廣闊。第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIS薄膜的制備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太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高。另外,電沉積工藝也以其簡單低廉的制作過程得到了廣泛研究,有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景

第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一問題以及前景CIS光伏材料優(yōu)異的性能吸引世界眾多專家研究了20年,直到2000年才初步產(chǎn)業(yè)化,其主要原因在于工藝的重復(fù)性差,高效電池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是多元化合物半導(dǎo)體,原子配比以及晶格匹配性往往依賴于制作過程中對主要半導(dǎo)體工藝參數(shù)的精密控制。目前,CIS薄膜的基本特性及晶化狀況還沒有完全弄清楚,無法預(yù)測CIS材料性能和器件性能的關(guān)系。CIS膜與Mo襯底間較差的附著性也是成品率低的重要因素。同時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研究CIS光伏材料的發(fā)展方向。第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期一CIGS薄膜太陽能電池的制備CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法,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、