CIGS薄膜太阳能电池.ppt

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池,报告人:陈腾单位:半导体研究所,前言,资源紧缺环境污染气候变暖,风能潮汐地热核能太阳能,太阳能最具潜力:取之不尽用之不竭,太阳能电池的出现及发展成为必然,资源紧缺环境污染气候变暖,风能潮汐地热核能太阳能,资源紧缺环境污染气候变暖,风能潮汐地热核能太阳能,太阳能最具潜力:取之不尽用之不竭,资源紧缺环境污染气候变暖,风能潮汐地热核能太阳能,太阳能电池的简介,薄膜太阳能电池CIGS,制备工艺的简介,太阳能电池发展进程,18世纪,英国亚当斯等发现Se中的“光生伏特”现象二战至70年代，不受重视，缓慢甚至停止的研究阶段70年代，石油危机迫使欧美日制定太阳能开发计划80年代，低谷期，大量经费削减，主要形式为热水器1996年，津巴布韦“世界太阳能高峰会议”，支持力度加大，太阳能研究在全球范围展开2000年至今，全球光伏产业高速发展时期,太阳能电池的工作原理,光生伏特效应,输出特性,转换效率:,转换效率:,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:GaAsCdSCIGS,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,目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池,主要:GaAsCdSCIGS,目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池,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,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，电子亲和势为4.58eV，300K时Eg=1.04eV，其带隙对温度的变化不敏感，具有高达6xl05cm-1的吸收系数.黄铜矿系合金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,In/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,CIGS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。当x=Ga/(Ga+In)0.3eV时，随着x的增加，Eg减小，Voc也减小。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,过渡层CdS,过渡层CdS,光吸收层CIGS,过渡层CdS,光吸收层CIGS,过渡层CdS,金属背电极Mo,光吸收层CIGS,过渡层CdS,过渡层CdS,过渡层CdS,金属背电极Mo,金属背电极Mo,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)(1.01.7eV),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,电子亲合能不同,产生导带底失调值Ec和价带失调值Ev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,工艺路线比较成熟最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化