引出电流使金属电极与CdTe形成欧姆接触.ppt

2 4多元化合物太阳电池 2 4 2 一 族太阳电池 CdTe superstrate结构是在玻璃衬底上依次长上透明氧化层 TCO CdS CdTe薄膜 而太阳光是由玻璃衬底上方照射进入 先透过TCO层 再进入CdS CdTe结 而在substrate结构 是先在适当的衬底上长上CdTe薄膜 再接着长CdS及TCO薄膜 其中以superstrate的效率最高 2 碲化镉太阳能电池原理 结构 透明导电氧化层 n型半导体 p型半导体 降低CdTe与金属电极接触势垒 2 碲化镉太阳能电池原理 结构 主要对电池起支架 防止污染和入射太阳光的作用 玻璃衬底 TCO层 透明导电氧化层 它主要的作用是透光和导电的作用 用于CdTe CdS薄膜太阳能电池的TCO必须具备下列的特性 在波长400 860nm的可见光的透过率超过85 低的电阻率 大约2 10 4 cm数量级 在后续高温沉积其它薄膜层时的良好的热稳定性 CdS窗口层 n型半导体 与P型CdTe组成p n结 CdS的吸收边大约是521nm 几乎所有的可见光都可以透过 因此CdS薄膜常用于薄膜太阳能电池中的窗口层 CdTe吸收层 电池的主体吸光层 它与n型的CdS窗口层形成的p n结是整个电池最核心的部分 多晶CdTe薄膜具有制备太阳能电池的理想的禁带宽度 Eg 1 45eV 和高的光吸收率 大约10 4 cm CdTe的光谱响应与太阳光谱几乎相同 背接触层和背电极 降低CdTe和金属电极的接触势垒 引出电流 使金属电极与CdTe形成欧姆接触 3 碲化镉太阳能电池制作工艺 工艺流程 CdTe吸收层的CdCl2处理 几乎所有沉积技术所得到的CdTe薄膜 都必须再经过CdCl2处理 CdCl2处理能够进一步提高CdTe CdS异质结太阳电池的转换效率 原因是 能够在CdTe和CdS之间形成界面层 降低界面缺陷态浓度 导致CdTe膜的再次结晶化和晶粒的长大 减少晶界缺陷 热处理能够钝化缺陷 提高吸收层的载流子寿命 将CdTe薄膜置于约400 的CdCl2环境之下 CdCl2的存在促进了CdTe的再结晶过程 不仅比较小的晶粒消失了 连带着CdTe与CdS的界面结构也比较有次序 3 碲化镉太阳能电池制作工艺 背接触层 CdTe与大多数的金属都难以形成欧姆接触 一种可行的方法是先对CdTe薄膜表面进行化学刻蚀 再沉积高掺杂的背接触材料 硫化镉 碲化镉 复合背接触层等三层薄膜的沉积和后处理是获得高效率的技术关键 3 碲化镉太阳能电池制作工艺 关键技术 4 碲化镉太阳能电池成本估算 注 成本计算依据 电池结构为玻璃 SnO2 F CdS CdTe ZnTe ZnTe Cu Ni 碲化镉薄膜的厚度为5微米 转换效率7 1MW碲化镉薄膜太阳能电池所消耗的材料的成本 45 4 38 2 4 碲化镉太阳能电池成本估算 可见 碲化镉和透明导电玻璃构成材料成本的主体 分別占到消耗材料总成本的45 4 和38 2 如将碲化镉薄膜的厚度减薄1微米 则碲化镉材料的消耗将降低20 从而使材料总成本降低9 1 即从每峰瓦6 21元降为5 64元 如使用99 999 纯度的碲化镉 效率依然能达到7 材料成本还将进一步降低 5 碲化镉太阳能电池优势与缺陷 优势 缺点 第一 碲原料稀缺 无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求 第二 镉作为重金属是有毒的 碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染 会影响环境 5 碲化镉太阳能电池优势与缺陷 前景展望 碲化镉薄膜太阳能电池正日益受到国内外的关注 全球最大的碲化镉太阳能电池制造商 美国FirstSolar公司正加速扩大产能 该公司正在德国建设年产量100MW的工厂 该工厂得到欧盟4000万欧元的投资 同时 FirstSolar还计划在美国本土和亚洲分別建设一个100MW的工厂 鉴于碲化镉薄膜太阳能电池的发展前景 日本计划再启动碲化镉薄膜太阳能电池的工业化生产技术研究 意大利和德国也在进行类似的工作 国内四川大学的碲化镉薄膜太阳能电池工业化生产技术研究进展顺利 将推动我国碲化镉薄膜太阳能电池的规模生产 CdS薄膜与Cu2S CdS太阳电池 Cu2S CdS是一种廉价太阳电池 它具有成本低 制备工艺十分简单的优点 在多种衬底上使用直接和间接加热源的方法沉积多晶CdS薄膜 用喷涂法制备CdS薄膜 其方法主要是将含有S和Cd的化合物水溶液 用喷涂设备喷涂到玻璃或具有SnO2导电膜的玻璃及其它材料的衬底上 经热分解沉积成CdS薄膜 CdS CulnSe2太阳电池 Cu1nSe2材料具有到目前为止所有半导体材料中的最高吸收系数 由于CulnSe2薄膜材料具备十分优异的光伏特性 20年来 出现了多种以Cu1nSe2薄膜材料为基础的同质结和异质结太阳电池 主要有n CulnSe2 p CulnSe2 InCd S2 CulnSe2 CdS CulnSe2 ITO Cu1nSe GaAs CulnSe2 ZnO CulnSe2等 其中最为人们重视的是CdS CulnSe2电池 2 4 3铜铟硒太阳电池CIS CuInSe2黄铜矿晶格结构 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 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 铜铟镓二硒系列太阳电池可分为哪两类 组成这两类太阳电池的材料有哪些特性 掌握CIS及CIGS太阳电池结构掌握CIS及CIGS太阳电池的制造方法及优缺点 铜铟镓二硒系列太阳电池可分为两类 一种是铜铟硒的三元化合物 CopperIndrumDiselenide 简称CIS 一种是含铜铟镓硒的四元化合物 CopperIndrumGalliumDiselenide 简称CIGS 这两种材料的吸光范围非常广 而且在户外环境下的稳定性也相当好 高转换效率及低材料制造成本 因此被视为未来最有发展潜力的薄膜太阳电池种类之一 在转换效率方面 若是利用聚光装置的辅助 目前转换效率已经可以达到30 左右 而在标准环境测试下最高也已经可以达到19 5 的水准 足以媲美单晶硅太阳电池的最佳转换效率 在大面积制程上 采用软性塑料基板的最佳转换效率也已经达到14 1 除了适合用在大面积的地表用途外 Cu InGa Se2太阳电池也具有抗辐射损伤的优点 而且可以在可挠式的软性基板上生产 所以也具有应用在太空领域的潜力 CIS及CIGS太阳电池结构 采用Cu InGa Se2的接合 鉬 Mo 当背景电极接触 CIGS太阳电池面临三个主要的挑战 虽然CIGS太阳电池具有高效率及低材料成本的优势 但它也面临三个主要的挑战 1 工艺复杂 投资成本高 2 关键原料的供应不足 3 缓冲层CdS具有潜在毒性 材料特性 CuInSe2 及CuGaSe2 在室温下具有与黄铜矿一样的正方系结构 它的晶格常数比c a接近2在810 以上则呈现立方的闪锌矿 Sphalerite 结构 CuInSe2则可以跟任何比例的CuGaSe2混合 形成CuIn1 xGaxSe2的化合物 CuIn1 xGaxSe2的一个重要特点是它可以容许比较宽的组成变化 而不至于明显改变其光的特性 所以高效率CIGS太阳电池可以在0 7 1 0的Cu In Ga 比率下制造出来 CuInSe2的对光的吸收系数相当高 大于105 cm 所以仅1um厚的材料就可吸收99 以上的光子 CuInSe2是直接能隙的半导体材料 它在室温的能隙值为1 02eV 而对温度变化的系数为 2 10 4Ev K CuIn1 xGaxSe2的能隙大小可由下式计算出来随着铟镓含量的不同 其能隙大小可以从1 02eV变化到1 68eV 此项特性可以被利用在多接面模组上 在电性上 富铜 Cu rich 的CuInSe2 总是具有p 型特性富铟 In rich 的CuInSe2薄膜可以是p 型也可以是n 型 如果在高压的硒环境下做热处理 n 型的薄膜可以转为p 型 如果在低压的硒环境下做热处理 p 型的薄膜则可以转换为n 型 CIGSSEM照片 下图显示在玻璃基板上依序长上Mo CIGS CdS ZnO的SEM照片 通常CIGS的晶粒大小与形貌与制造的技术及条件有很大的关系 但一般的大小都在1um附近 可能出现在CIGS薄膜内的缺陷包括有差排 叠差 及双晶等 同步蒸镀法 Coevaporation 目前最高效率的CIGS太阳电池是利用同步蒸镀法制造出来的 它用来制备实验室规模的电池和小组件 使用到4个各别元素 Cu In Ga Se 的蒸镀源 所挥发出来的元素会淀积在一加热的基板上 而反应形成CuIn1 xGaxSe2薄膜 每个蒸镀源的温度必须各别调整 以控制元素挥发出来的数量 进而控制所淀积出CuIn1 xGaxSe2薄膜的化学计量组成 通常Cu靶的温度在1300 1400 之间 In靶的温度在1000 1100 之间 Ga靶的温度在1150 1250 之间 Se靶的温度在300 350 之间 同步蒸镀法生长CIGS薄膜的主要优点及缺点 利用同步蒸镀法生长CIGS薄膜的主要优点 在于它可以自由的控制薄膜的组成及能隙大小 所以可以制造出高效率的太阳电池 它的主要缺点 在于操作上的控制比较困难 因为Cu蒸镀源的挥发量较不易控制 它的另一个缺点在于缺乏可以大面积商业化生产的设备 硒化法 Selenization 硒化法又称为双步骤法 它是先将Cu In Ga溅镀在基板上形成所谓的precursor薄膜 再使之在常压下与氢化硒 H2Se 发生反应 而产生薄膜 一般与氢化硒的反应温度约在400 500 之间 反应时间为30 60分钟左右 Cu InGa Se2薄膜生成的化学反应式可由下式表示 利用硒化法生长CIGS薄膜的主要优点与缺点 利用硒化法生长CIGS薄膜的主要优点 在于它可以结合一些标准而成熟的技术去先淀积出金属薄膜 再利用高温反应来缩短反应时间 因此是种具有较低生成成本的制程 它的主要缺点为 控制组成的自由度不高 所以难以变化能隙的大小 此外 它的薄膜黏着性较差 这是必须努力克服的一大课题 而氢化硒有很高的毒性 在操作上必须格外的小心 目前利用硒化法制造出来的CIGS太阳电池的效率已超过16 CIGS薄膜太阳能电池的结构 结构原理 减反射膜 增加入射率AZO 低阻 高透 欧姆接触i ZnO 高阻 与CdS构成n区CdS 降低带隙的不连续性 缓冲晶格不匹配问题CIGS 吸收区 弱p型 其空间电荷区为主要工作区Mo 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 0 1 7eV CdS n 2 4eV ZnO n 3 2eV N区 内建电场 光生电流 电压 背面电极 BackContact CIGS太阳电池的背面电极一般是采用金属鉬 Mo 这是因为Mo可以与CIGS薄膜之间形成良好的欧姆接触 使得电流的传递损耗程度比较小 此外 Mo具有高度的光反射率 使得太阳光可以反复的被主吸收层所吸收 吸收层 AbsorberLayer p 型的CIGS或CIS薄膜 是做为吸收层的 在吸收层的设计上 要考虑一下几点 1 CIGS薄膜的制造 要容易得到单一相 且结晶品质要好 2 必须可以与金属层间有良好的欧姆接触 且容易制造 3 为了能有效的吸收太阳光 CIGS层应有足够的厚度 但厚度又必须小于载子的扩散长度 使得被激发的载子可以被收集 CIGS或CIS吸收层的厚度一般在1 5 2 0um左右 4 CIGS层具有多晶结构 因此晶界处的缺陷要少 以降低载子发生再结合的几率 5 CIGS薄膜表面的平坦性要好 以促进良好的界面状态 才不会影响到太阳电池的光电特性 随着铟镓含量的不同 CIGS的能隙大小可以从1 02eV变化到1 68eV 制造富铟的薄膜 In richCIGS 可以改善太阳电池的效率 而在富铜 Cu rich 的区域 因为有Cu2 xSe相的析出 而损坏了太阳电池的功能 有人使用NaCN 氰化钠 有剧毒 或KCN溶液把Cu2 xSe从薄膜的表面或晶界移出 证明可以改良Cu richCIGS太阳电池的效率 缓冲层 BufferLayer 在CIGS太阳电池中 最常用的缓冲层材料为n CdS 它的主要目的在形成与p CIGS之间的pn接合 CdS也是直接能隙的材料 在室温的能隙大小为2 42eV CdS与CIGS薄膜之间的晶格匹配非常好 但随着CIGS薄膜里头Ga含量的增加 晶格匹配性会降低 透明导电氧化层 可以用来当成透明导电氧化层材料有三种 包括有SnO2 In2O3 Sn 简称为ITO 及ZnO SnO2必须在较高的温度下淀积产生 这点限制了它应用在CIGS太阳电池上的可能性 这是因为已覆盖着CdS的CIGS薄膜 无法承受250 以上的高温之故 而ITO及ZnO两者都可被应用在CIGS太阳电池上 其中ZnO最为普遍被采用 这是因为它的材料成本低的原因 在ZnO中添加适当的Al 也是颇为常见的透明导电氧化层材料 窗口层 作为前电极 最常用的材料是硼或铝掺杂的ZnO 正面金属电极 在TCO层的上方还有金属电极 它的形状通常是网格状的 grid 而且金属电极所占的面积越小越好 这样才可允许较多的光线可以进入太阳电池内 金属电极的材料通常为Ni及Al 在作法上 是先在TCO层上镀上数十纳米宽的Ni 以避免形成高电阻的金属氧化物 接着再镀上数微米宽的Al 挠性的基板CIGS或CIS太阳电池 使用挠性的基板具有相当高的吸引力 因为它可以制造出重量轻盈的可挠性的CIGS或CIS太阳电池 它的另一个优势是它可以利用roll to roll的工艺来生产 所使用的基板材料 可为不锈钢箔 软性塑料等 组件生产和商业化 1 整体集成的互连薄膜光伏技术的一个固有优点是使用整体集成的可能性 即在一个组件里将单元电池实施串联集成 下图展示出这种电池间连接的方案 它要保证一个电池的背电极Mo层分割开来 并由此确定单元电池的宽度 它是0 5 1cm量级 通常 使用激光刻画Mo层 第二步刻图是在吸收层和过渡层沉积之后完成 最后一步刻图是在窗口层沉积之后完成 由于电池长度确定刻画的长度可以大于1m 典型的电池间连接宽度是300 m量级 这样 大约3 5 的电池面积为了这个连接而牺牲了 淀积与刻画顺序 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2 3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 0 1 7eV间变