铜铟镓硒太阳能电池.ppt

铜铟 镓硒 薄膜 太阳 能电 池 仅在数年以前，薄膜光伏 技术在光伏产业 中还只能用“微不足道”来形容，但在今天， 其生产份额不断扩张。 薄膜太阳能电池目前主要分为非晶硅薄膜太 阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池 、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池三类。 2005-2010年薄膜太阳能电池 薄膜电池与传统硅晶电池的比较 传统硅晶电池：由硅晶体组成,电池主要部 分易碎,易产生隐形裂纹,大多有一层钢化 玻璃作为防护,造成重量大,携带不便,抗震 能力差,造价高,效率或多或少降低 薄膜电池：克服了上述缺点，重量轻,厚度 薄.可弯曲,易携带,克服了上述缺点,但并没 有传统硅晶电池转化效率高. 铜铟镓硒（CIGS）具有薄膜光伏的所有优点，性能 稳定、抗辐射能力强，光电转换效率目前是各种薄 膜太阳电池之首，接近于目前市场主流产品晶体硅 太阳电池转换效率，成本却是其1/3。被国际上称为 下一代的廉价太阳电池 我们先来看另外一种物质，CuInSe2具有较大的化学组 成区间,这意味着即使偏离定比组成1:1:2，该材料依然具 有黄铜矿结构以及相似的物理和化学性质-再者CuInSe2 甚至可以直接由其化学组成的调变得到,P型(Cu比例大) 或N型“(In比例大)而不必借助外加杂质以上两者使得 CuInSe2具有非常优良的抗干扰,耐辐射能力0因而没有- 光辐射引致性能衰退效应,使用寿命长。 CIGS就是在CuInSe2基础上掺杂Ca元素使Ca元素 部分取代同族的In原子,通过调节Ca/(In+Ga)可以改 变CIGS的带隙，调节范围为1.04到1.72。其结构仍 然是黄铜矿结构和具有CuInSe2所具有的性能上的 优点 最早对G的基础性研究是在六十年代到八十年代 , 年，等人制备出了第一块 高效电池， 年。 等科学家用多源共蒸发的方法制备出了效率 为 的多晶薄膜太阳电池， 年代中期，太阳公司首次利用溅射金属预制 层硒化法制备 出了适合商业开发的太阳电池。 历史历史 1 光吸收能力强 CIGS太阳能电池由Cu（铜）、In（铟）、 Ga（镓）、Se（硒）四种元素构成最佳比例的 黄铜矿结晶作为吸收层，可吸收光谱波长范围广 ，除了晶硅与非晶硅太阳能电池可吸收光的可见 光谱范围，还可以涵盖波长在7001200nm之间 的红外光区域，即一天内可吸收光发电的时间最 长，CIGS薄膜太阳能电池与同一瓦数级别的晶 硅太阳能电池相比，每天可以超出20%比例的总 发电量 优点优点 2 发电稳定性高 由于晶硅电池本质上有光致衰减的特性，经过 阳光的长时间暴晒，其发电效能会逐渐减退， 而CIGS太阳能电池则没有光致衰减特性，发 电稳定性高。晶硅太阳能电池经过较长一段时 间发电后，或多或少存在热斑现象，导致发电 量小，增加维护费用，而CIGS太阳能电池能 采用内部连接结构、可避免此现象的发生，较 晶硅太阳能电池比所需的维护费用低。 3 转换效率高 根据美国国家再生能源实验室(National Renewable Energy Labs;NREL)所公布，目前 太阳能电池转换效率最高可达20.2%，而业界 最高纪录可达17%，普遍标准为12%。 4 成产成本低 CIGS太阳能电池主要成本为玻璃基板与Cu（ 铜）、In（铟）、Ga（镓）、Se（硒）四种元 素构成的原材料，其中玻璃只需采用一般建材 所使用的钠玻璃，不需要使用太阳能专用超白 玻璃或者薄膜导电玻璃。四种金属元素不是贵 重金属，而且每片电池板的CIGS吸收层所需膜 层厚度不超过3m（微米），原材料需求量不 高，每片成本十分具有竞争力。 5 能源回收周期短 太阳能电池是很好的可再生能源技术，可以解决我 们人类的能源需求问题又不不污染环境，但是生产太阳能 电池本身也需要消耗一定的能源。评估一个可再生能源装 置是否真正环保，除了转换效率，更重要的是使用该装置 所产生的再生能源，需要多长时间才能相当于当初生产时 所消耗的能源总量，即所谓能换回收周期。根据美国能源 总署（U.S.Department of Energy）研究，以30年寿命的 太阳能装置为例，晶硅太阳能电池的回收期间为24年， 而薄膜太阳能电池为12年。换而言之，每一个太阳能发 电系统，可享有2629年真正无污染的期间，而采用CIGS 太阳能无疑是最佳选择。 缺点 1.制程复杂，投资成本高 2.关键原料的供应不足 3.缓冲层CdS具有潜在的毒性。 电池结构 结构：由上到下 依次为顶电极： 具有透明导电性 的铝掺杂氧化锌 ，缓冲层：本征 氧化锌及硫化镉 ，吸收层：铜铟 镓硒薄膜，背电 极：金属钼，衬 底：玻璃。 工作原理 图 工作原理 原理：阳光照在电池表面，穿过顶电极， 缓冲层，被铜铟镓硒吸收产生截流子，在 内建电场的作用下吸收层接近硫化镉区域 ，不同电荷的载流子分离，负电荷走向顶 电极，正电荷走向背电极，由此，太阳能 便源源不断的转化为可供我们使用的电能 ，之所以具有较高的效率是因为铜铟镓硒 材料对太阳光的吸收能力极强。 内容大纲 铜铟镓硒太阳能电池板的制作方法 实验室制法简介及研究现状 工业制法简介及研究现状 发展铜铟镓硒太阳能电池遇到的阻碍 CIGS电池结构改进的探索 我国CIGS太阳能电池的发展前景 铜铟镓硒太阳能电池板的制作方法 1 蒸镀法（多用于实验室制法） 2 磁控溅射法（多用于工业制法） 3 分子束外延法 4 喷涂热解法 5 电沉积方法 实验室制法简介 制法名称：共蒸发法 利用共蒸发法的原因：产生薄膜效率最高、设备要求最高 步骤：第一步：共蒸发In，Ga和Se沉积在Mo覆盖的玻璃 衬底上，衬底温度250400，形成In- Ga-Se层。 第二步：共蒸发Cu和Se沉积在In-Ga-Se层上，衬 底温度升高至大于540，形成富Cu的 CIGS层。 第三步：就是少量的In，Ga，Se沉积以形成 少量贫铜的CIGS薄膜，衬底温度同第二 步 三步法治铜铟镓硒吸收层优点： 得到表面更加光滑的CIGS薄膜，可以降低CIGS 层与缓冲层的界面态密度，减少了器件的暗电流 。 三步法中的富铜过程有利于结晶质量的改善和晶 粒尺寸的增加。（利用液相Cu2-xSe的作用，使 CIGS晶粒重结晶，以形成CIGS大晶粒。） 减少其在Mo背接触的复合，提高了开路电压 。 薄膜前部Ga的梯度变化有利于提高器件在长波波 段区域的量子效率，提高了短路电流。 共蒸发法治铜铟镓硒吸收层的缺点： 薄膜的均匀性比较难控制，材料浪费严重,不能满 足大规模产业化的要求。 薄膜与衬底结合能力差,影响使用寿命 制备符合化学计量比具有黄铜矿结构的多晶薄膜 吸收层较困难。 国内外实验室研究现状 组织衬底效率组织衬底效率 NREL USA 玻璃19.9%南开13% NREL USA 不锈钢17.5%南开柔性不 锈钢 9% Empa 瑞士 柔性不 锈钢 18.7% 中科院 深圳所 与港大 17% NEDO18.6% 工业制法的简介 制法名称:溅射后硒化法 利用磁控溅射法的原因: 设备相对较简单； 产膜 速率高，产量大； 工艺参数易于控制 ； 原材料利用率高 制作步骤： 选择衬底及清洗 DC磁控溅射法制备Mo电极 制备CuIn0.7Ga0.3薄膜 在真空或氩气环境下利用Se蒸汽进行硒化 ，产生CulnGaSe薄膜。 工艺步骤1-衬底选择和清洗 衬底选择 平整；低杂质浓度；导热系数稍大于CIG。 一般采用soda lime玻璃。 清洗 丙酮超声后去离子水清洗。 乙醇超声后去离子水清洗。 去离子水超声，高压氮气吹干。 工艺步骤2 Mo电极的制备和表征 方法：DC磁控溅射 表征（ SEM ）：表面有明显柱状和鱼鳞状 结构，提高了接触面积；厚度1um。 Mo电极的制备 磁控溅射制备金属预制 层： 少量氩气辉光放电产生 Ar+。 Ar+电磁场加速作用下 ，高速飞向金属靶材， 轰击靶材表面，溅射Cu 、In、Ga离子。 溅射出的粒子沉积在基 片（玻璃+Mo）表面。 工艺步骤3-制备CuIn0.7Ga0.3薄膜 三靶磁控溅射 系统共溅： 靶材： Cu9In11 Cu10Ga10 工作气压： 0.8Pa 工艺步骤四-高温硒化 真空或氩气环 境下Se高温 蒸发。 Se蒸汽和预 制膜反应生成 CIGS。 CuIn0.7Ga0.3Se2表征 溅射硒化法优点 可以比较精确的调节各元素的化学配比 薄膜的致密性高，使用寿命长 原材料的利用率高，对不需要沉积薄膜的地方加 以屏蔽，可减少对真空室的污染 薄膜均匀性较好，有利于制造大面积CIS电池 步骤四应用的固态源硒化法。这一方式可避免使 用剧毒的H2Se气体，因此操作更加安全，设备也 相对简单。 国内外工业制法的发展现状 国外：目前全球有30多家公司置身于CIGS产业，但真正进 入市场开发的公司只有德国的Wuerth（伍尔特）、 Surlfulcell，美国的Global Solar Energy，日本的Honda（ 本田）、Showa Solar Shell。2006年、2007年世界CIGS 电池组件产能分别为17.5MW、60.5MW，在世界光伏市 场上占据的份额很小。 国内：中国的CIGS产业远远落后于欧美和日本等国家和地 区，南开大学以国家“十五”“863”计划为依托，建设0.3MW 中试线，现已制备出30cm30cm效率为7%的集成组件样 品。2008年2月，山东孚日光伏科技有限公司宣布与德国 的Johanna合作，独家引进了中国首条CIGSSe（铜铟镓 硫硒化合物）商业化生产线。 发展铜铟镓硒太阳能电池遇到的阻碍 实验室研究所遇到的阻碍 薄膜中第二相的存在是影响CIS光电性能的主要 原因 。在CIS材料的制备中常出现如CuXSe等第 二相。当第二相存在于晶粒间时，将有效阻止载 流子在晶粒间的运动，减小载流子的效率。 电池串联电阻是太阳电池功率损耗的一个重要因 素 。通过理论计算分析，结果表明电池窗口层横 向电阻、本征层i-ZnO电阻和基区体电阻是电池串 联电阻的主要来源，分别占电池总的串联电阻的 457、266、213 工业量化生产面对的阻碍 原材料In的稀缺性。 缓冲层CdS具有潜在的毒性。无Cd缓冲层 的工艺是目前研发的重点。 制程复杂，投资成本高。 CIGS电池结构改进的探索 更换太阳能电池的衬 底 采用双面照射。 为了改善背面照射时电池的效 率，可以通过降低吸收层CIGS 的厚度，使得吸收层产生的光 生载流予能够到达异质结的耗 尽区，从而被电场分离，提高 短路电流，从而提高电池的转 换效率。 我国CIGS太阳能电池的发展前景 资源上：在CIGS太阳能电池的所有膜系结构中，涉及Mo、ZnO、AI 、ZnS、MgO以及Cu、In、Ga、Se等材料。除了In以外，都不是稀 缺材料。我国In的产量和已探明的储量占世界的六分之一，说明在我 国发展CIGS太阳能技术在资源上具有优势和可行的。 成本：根据日本NEDO太阳光发电技术研究组合战略企划委员会的