《CIGS薄膜电池》PPT课件.ppt

CIGS薄膜电池开发和材料特性,李建军 1120110091,主要内容,CIGS电池特点 发展历史 电池理制备及其性能 研究进展 存在的问题,CIGS电池特点,Cu(In, Ga)Se2(CIGS)是-族化合物半导体材料，具有黄铜矿晶体结构 （1）光电转换效率高 NREL最高20.3%，是各类薄膜太阳电池的最高记录 （2）电池稳定性好，性能基本无衰降。 （3）抗辐照能力强，用作空间电源有很强的竞争力 （4）弱光特性好,CIGS电池特点,（5）通过适量的Ga 取代In，形成CIGS 四 元多晶固溶体，其禁带宽度可在1.041.67 eV 范围内连续可调 （6）CIGS 是直接禁带材料，其可见光吸 收系数高达105 cm1 数量级，非常适合太阳电池的薄膜化。 （7）技术成熟后，电池制造成本和能量偿还时间均低于晶体硅太阳电池。,发展历史,first CuInSe2 1970s Bell Laboratories first thin-film CuInSe2 /CdS Kazmerski etc. first high-efficiency 9.4% Boeing manufacturing issues 1980s Boeing (coevaporation), ARCO Solar (two-stage process followed by anneal) NERL 20.3%（coevaporation） 2010,电池结构和性能,p 型CIGS 和n 型CdS 及高阻n 型ZnO形成p-n 异质结是CIGS 薄膜太阳电池的核心层 各层制备工艺,组件结构,CIGS 光伏组件是由许多宽约57 mm 的条状电池串接而成。三次切割划线完成了各子电池的界定、分割和互联。此三条切割线及其之间的间距均对光电转换效率没有贡献，称之为死区。因此这些线宽和间距应尽量小,吸收层制备方法,1.线性源共蒸发 2.预制层后硒化快速退火,性能参数比较,CIS 与其它太阳电池材料吸收系数的比较,缺陷种类及能级位置,主要的几种缺陷Vcu、Incu、Vse、CuIn,光电流损失,下实线为偏压0 V，上实线为偏压1 V图5 CIGS 薄膜电池的量子效曲线,辐照强度对光电转换率的影响,辐照强度下降，导致串联电阻和并联电阻上升，使得填充因子下降 短路电流线性下降 使得开路电压下降,铜含量对电池参数的影响,温度对电池性能的影响,1载流子 浓度-电阻率 2禁带宽度 3缺陷态处于 不同的激发态,抗辐射性,CIGS电池的稳定性,研究进展和方向,1干法缓冲层 2无镉工艺 3少In、少Ga工艺 4非真空低成本工艺 5叠层四端工艺 6柔性电池 7进一步提高小面积电池的转换效率,干法缓冲层,CBD法的缺陷 MOCVD、ALCVD等软沉积方法 CdZnS、ZnSe（2.67ev） 和ZnIn2Se4(2.0ev)、In2S3(3.2ev)、In(OH)xSy 溅射法(化学预处理) (Zn,Mg)O,无Cd工艺,缓冲层材料要求： 1高阻n 型或者本征的，以防止pn 结短路。 2和吸收层间要有良好的晶格匹配，以减少界面缺陷，降低界面复合 3需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光 4对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也是非常重要的,无Cd缓冲层,少In少Ga工艺,锌黄锡矿(Kesterite)结构的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶体，通过Zn 和Sn 各替代一半黄铜矿结构中的In，电池效率9.6% Cu(In1-xAlx)Se2 材料的制备方法包括蒸发法和后硒化法。蒸发法即采用与CIGS 类似的蒸发工艺，共蒸发Cu、In、Al 和Se 四种元素形成薄膜。后硒化法即溅射沉积Cu-In-Al 预制层，然后在Se 气氛下退火。 IEC 制备了具有Mo/Cu(In1-xAlx)Se2/CdS/ZnO/ITO/Ni-Al 电极/MgF2 结构的太阳电池，单结太阳电池的转换效率达到了16.9%,非真空低成本工艺,涂覆法 涂覆法是将Cu-In-Ga-Se 以一定的比例混合制备成纳米颗粒涂料，涂覆在衬底上，烘干后形成电池的吸收层 其中最具代表的是IBM 公司采用的工艺方法和Nanosolar 公司采用的工艺方法，14.5%左右 电沉积法 在酸性溶液中，以衬底为阴极沉积CIGS 薄膜的方法 美国国家再生能源实验室(NREL)的Bhattacharya 在氯化物溶液体系中一步法沉积CIGS薄膜，得到富铜的CIGS 薄膜，在真空硒气氛环境中进行热处理，并蒸发少量的In、Ga 调节CIGS 薄膜成分，使之接近化学计量比，制备的电池效率达到15.4%,叠层四端工艺,Cu(In,Ga)Se2 Ga :0 1 ,Eg:1.04 eV 1.67 eV，非常适合制成双结太阳电池，CuGaSe2/CuInSe2 双结太阳电池的AM 1.5 的理论光电转换效率为33.9%。 主要问题:CuGaSe2 薄膜太阳电池的最高效率是10.2%，理论光电转换效率为26% 现阶段目标：将CuGaSe2顶电池的效率提高到16%,柔性衬底电池,1.NREL 不锈钢衬底共蒸发方法 AM1.5 17.5%,在AM 0 光谱条件下，光电转换效率为15.2%，质量比功率达到1 433