CIGS薄膜太阳能电池.ppt

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳 能电池 CIGS 薄膜太阳能电池 这种以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称为 铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是： Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结 构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背 电极/玻璃） CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1- xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和 CuGaSe2的混晶半导体。 CIGS电池的发展历史及研究现状 70年代Bell实验室Shaly等人系统研究了三元黄铜矿半导体材料CIS的生长机理、电学 性质及在光电探测方面的应用 1974年，Wagner利用单晶ClS研制出高效太阳能电池,制备困难制约了单晶ClS电池发 展 1976年，Kazmerski等制备出了世界上第一个ClS多晶薄膜太阳能电池 80年代初，Boeing公司研发出转换效率高达9.4%的高效CIS薄膜电池 80年代期间，ARCO公司开发出两步(金属预置层后硒化)工艺，方法是先溅射沉积Cu 、In层，然后再在HSe中退火反应生成CIS薄膜，转换效率也超过10% 1994年，瑞典皇家工学院报道了面积为0.4cm效率高达17.6%的ClS太阳能电池 90年代后期，美国可再生能源实验室(NREL)一直保持着CIS电池的最高效率记录，并 1999年，将Ga代替部分In的CIGS太阳能电池的效率达到了18.8%，2008年更提高到 19.9% 薄膜太阳 能电池发 展的历程 太阳能电池的分类 按 制 备 材 料 的 不 同 硅基太阳能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 纳米晶太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS 目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池 硅基太阳能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 硅基太阳能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 硅基太阳能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 硅基太阳能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 硅基太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 硅基太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 硅基太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS 目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS 目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池 硅基太阳能电池 纳米晶太阳能电池 有机聚合物太阳 能电池 多元化合物薄膜 太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS 目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池 CIGS的晶体结构 CuInSe2黄铜矿晶格结构 CuInSe2复式晶格 :a=0.577,c=1.154 直接带隙半导体，其光吸收系数高 达105量级 禁带宽度在室温时是1.04eV，电子 迁移率和空穴迁移率分 3.2X102(cm2/Vs)和 1X10(cm2/Vs) 通过掺入适量的Ga以替代部分In， 形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶 体 Ga的掺入会改变晶体的晶格常数， 改变了原子之间的作用力,最终实现 了材料禁带宽度的改变，在1.04一 1.7eV范围内可以根据设计调整， 以达到最高的转化效率 自室温至810保持稳定相,使制膜 工艺简单, 可操作性强. CIGS的电学性质及主要缺陷 富Cu薄膜始终是p型，而富In薄膜则既可能 为p型，也可能为n型。n型材料在较高Se蒸 气压下退火变为p型传导;相反，p型材料在较 低Se蒸气压下退火则变为n型 CIS中存在上述的本征缺陷， 影响薄膜的电学性质 .Ga的 掺入影响很小. CIGS的光学性质及带隙 CIS材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在 1.02eV-2.7eV范围变化，覆盖了可见太阳光谱 lIn/Ga比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖 1.0一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满 足下列公式其中，b值的大小为0.15一0.24eV lCIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随 着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。 l当x=Ga/(Ga+In)0.3时，随着x的增加，Eg减小 ，Voc也减小。 l G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最 好。 CIGS薄膜太阳能电池的结构 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 窗口层ZnO 过渡层CdS 光吸收层CIGS 金属背电极Mo 玻璃衬底 低阻AZO 高阻ZnO 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 光吸收层CIGS光吸收层CIGS 过渡层CdS 光吸收层CIGS 过渡层CdS 光吸收层CIGS 窗口层ZnO 过渡层CdS 光吸收层CIGS 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 金属背电极Mo 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 金属背电极Mo 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 金属背电极Mo 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 玻璃衬底 金属背电极Mo 光吸收层CIGS 过渡层CdS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 结构原理 l减反射膜：增加入射率 lAZO： 低阻，高透，欧姆接触 li-ZnO：高阻，与CdS构成n区 lCdS： 降低带隙的不连续性，缓 冲晶格不匹配问题 lCIGS： 吸收区，弱p型，其空间电 荷区为主要工作区 lMo: CIS的晶格失配较小且热膨 胀系数与CIS比较接近 CIGS薄膜电池的异质结机理 CIGS电池的实质：窗口-吸收体结构的异质p-n结 太阳能电池 光 CIGS(弱p) (1.01.7eV) CdS (n) (2.4eV) ZnO (n) (3.2eV) N区 内建电场 光生电流（电压） CIGS能带的失调值对电池的影 响 l电子亲合能不同,产生导带底失调值 Ec和价带失调值Ev l禁带宽度可调: Ec0或0的能带结构对 提高电池的转换效率有利。当 EcO.5eV以后，开路电压明显 下降，同时短路电流也急剧下降.高 效电池Ec的理想范围在0-0.4eV 之间，一般以0.2-0.3ev为宜 CIGS薄膜太阳能电池的优点 材料吸收率高,吸收系数高达105量级,直接带隙,适合薄膜 化,电池厚度可做到23微米,降低昂贵的材料成本 光学带隙可调.调制Ga/In比,可使带隙在1.01.7eV间变化, 可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配 抗辐射能力强.通过电子与质子辐照、温度交变、振动、 加速度冲击等试验,光电转换效率几乎不变.在空间电源方 面有很强的竞争力 稳定性好,不存在很多电池都有的光致衰退效应 电池效率高.小面积可达19.9%,大面积组件可达14.2% 弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能. CIGS太阳能电池研究现状 在20世纪90年代, CIGS薄膜太阳能电池得到长足 的发展, 日本NEDO（新能源产业技术开发机构） 的太阳能发电首席科学家东京工业大学的小长井 诚教授认为: 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代 太阳能电池的首选, 并且是单位重量输出功率最高 的太阳能电池。 所谓第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大 规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜 太阳能电池（注：第一代为单晶硅太阳能电池， 第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电池）, 考虑太阳能为绿色的能源和环境驱动因素,发展前 景将会十分广阔。 CIS 薄膜的制备 CIS薄膜的制备方法多种多样,大致可以归为三类: CuIn的 合金过程和Se化分离；Cu、In、Se一起合金化； CuInSe2化合物的直接喷涂。 主要的制备技术包括:真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化 学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷 射热解等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效率 最高。另外,电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到 了广泛研究,有相当的应用前景 问题以及前景 CIS光伏材料优异的性能吸引世界众多专家研究了20年 , 直到2000年才初步产业化,其主要原因在于工艺的重复性 差,高效电池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是多元化合物半导 体,原子配比以及晶格匹配性往往依赖于制作过程中对主 要半导体工艺参数的精密控制。目前,CIS薄膜的基本特性 及晶化状况还没有完全弄清楚,无法预测CIS材料性能和器 件性能的关系。CIS膜与Mo衬底间较差的附着性也是成品 率低的重要因素。同时在如何降低成本方面还有很大空间 。以上这些都是世界各国研究CIS光伏材料的发展方向。 CIGS薄膜太阳能电池的制备 CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射 的方法,工艺路线比较成熟