新能源材料第11讲

1、11.1引言11.2材料的性质11.3太阳能电池的结构和工作原理11.4薄膜材料和太阳能电池的制造技术11.5薄膜太阳能电池的发展现状和前景，11ii-vi族多晶薄膜太阳能电池材料，太阳能电池的高效、低成本，为了满足大规模生产化发展的要求，最有效的方法是发展薄膜太阳能电池技术在薄膜光电材料中，CdTe已经成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光电器件材料。 从20世纪70年代开始，制造薄膜太阳能电池的新材料CuInSe2薄膜材料迅速发展。 11.2材料性质11.2.1 CdTe薄膜材料性质1 )结构性质CdTe为ii-vi族化合物，直接为带隙材料，带隙为1.45eV。 其光谱响应与太阳光谱非常一致。

2、 2 )光学性质CdTe薄膜直接具有带隙结构，对于波长比吸收端小的光，其光吸收系数极大。 3 )电性质CdTe为ii-vi族化合物半导体，其结构与Si、Ge相似，即其结晶主要由共价键化合物结合，但具有一定的离子性。 11.2.2 CdS薄膜材料的性质1 )结构性质CdS是非常重要的ii-vi族化合物半导体材料。 CdS薄膜具有锌矿结构，是直接带隙材料，带隙宽，2.42eV。 实验证明，CdS层吸收的光谱损失不仅与CdS薄膜的厚度有关，也与薄膜形成方式有关。 2 )光学CdS薄膜广泛应用于太阳能电池的窗口层，与n型层形成pn结作为p型材料构成太阳能电池。 3 )电性质一般本征CdS薄膜的串联电阻

3、高，不利于窗层，但在基板温度为300350之间使In向CdS扩散时，本征CdS变为n- CdS，电导率达到102 S/cm。 11.2.2 CuInSe2薄膜材料的性质1 )结构性质CuInSe2是非常重要的ii-vi族化合物半导体材料。 具有黄铜矿、闪锌矿两种同素异形晶体结构。 CuInSe2是直接带隙半导体材料，77K时的带隙为1.04eV，300K时为1.02eV，带隙对温度变化不敏感。 2 )光学性质CuInSe2具有1个0.95eV1.04eV的容许直接本征吸收限制和1.27eV的禁带直接吸收限制，以及DOW Redfiled效应在低吸收区域的附加吸收。 3 )电性质CuInSe2材

4、料的电性质(电阻率、导电型、载流子浓度、迁移率)主要依赖于材料的各元素的组成比和因偏离化学计量比而引起的固有缺陷(例如空穴、间隙原子、取代原子)，且与非本征掺杂和晶界有关。 11.3太阳能电池的结构和工作原理11.3.1 CdTe/CdS太阳能电池CdTe/CdS薄膜太阳能电池参数的理论值为：开路电压(VOC)1050mV； 短路电流(JSC)30.8mA/cm2； 填充因子(FF)83.7； 转换效率约为27%。 下图显示了典型的CdTe/CdS太阳能电池的性能。 11.3.2 CuInSe2太阳能电池，近20年来，以CuInSe2薄膜材料为基础的同质结太阳能电池和异质结太阳能电池主要是n-

5、CdS/P-CuInSe2太阳能电池Pin型CdS/CuInSe2太阳能电池(ZnCd)S/CuInSe2太阳能电池11.4薄膜材料和太阳能电池的制造工艺11.4.1 CdTe、CdS薄膜材料和CdS/CdTe太阳能电池的制造方法CdS、CdTe薄膜的制造方法主要是CSS； 电镀丝网印刷CVD (化学气相沉积) PVD (物理气相沉积) MOCVD (金属有机气相沉积) MBE (分子束外延) ALE (原子层外延)喷涂； 真空蒸发； 电沉积等。 用CSS法制作CdTe薄膜的优点是蒸发材料的损失少，结晶方向好，光电特性优异。 11.4.2 CdS/CdTe太阳能电池制造中的主要影响因素1)Cd

6、Cl2处理在高效CdS/CdTe太阳能电池的制造中，在CdTe层生长期间用CdCl2或Cl2进行热处理。 CdCl2处理改善了太阳能电池的性能，提高了器件的输出特性和均匀性。 2 )背接触CdTe太阳能电池制造过程最难的部分和最弱的部分是稳定的低电阻背接触。形成背接触电极的步骤有：腐蚀或表面调制； 使用含Cu、Hg、Pb或Au的膜在150以上连续进行热处理。 11.4.3 CuInSe2薄膜生长工艺CuInSe2薄膜生长方法主要有真空蒸镀法、Cu-In合金膜的硒化处理法、封闭空间气相传输法、喷雾热分解法、射频溅射法等。 1 )单源真空蒸镀法2 )二源真空蒸镀法3 )三源真空蒸镀法4 )封闭空间

7、气相输送法(CSCVT) 5)化学热还原法的Cu-In合金膜的堆积，硒化处理6 )电镀法的Cu-In合金膜的堆积，硒化处理7 )电沉积层叠结构，硒化处理8 )喷雾热CuInSe2太阳能电池制造中的主要影响因素1 )基板温度对薄膜结构的影响2 )热处理对薄膜光学和电特性的影响，11.5薄膜太阳能电池的发展现状前景1)CuInSe2薄膜太阳能电池的发展现状目前，最好的CuInSe2薄膜太阳能电池模块面积为3832cm2。 功率达到43.1W，转换效率为11.2%，该光伏矩阵体现了薄膜技术的卓越性能高效、低成本、高稳定、大面积使用。 2)CdTe薄膜太阳能电池的发展现状CdTe薄膜太阳能电池也是薄膜太阳能电池中发展迅速的光电元件。 许多国家的CdTe薄膜太阳能电池已经从实验室的研究阶段走向规模工业化生产。 我国CdTe薄膜太阳能电池还处于实验室基础应用研究阶段。