CIGS基礎(chǔ)知識(shí)

1、歷史CIS由Hahn于1953年發(fā)明。貝爾實(shí)驗(yàn)室70年代早期 開始將其用作太陽(yáng)能電池80年代波音和ARCO 分別用共蒸和濺射硒化法作進(jìn)一步研究，將CIS摻鎵成為CIGS目前最高效率19.5%CIGS優(yōu)點(diǎn)1.高效率(19.5%，近于非晶硅)2.穩(wěn)定性(無(wú)衰減，耐輻照).低成本(薄膜、連接)4.鈉效應(yīng)5.短能量?jī)斶€時(shí)間6.適應(yīng)于很多應(yīng)用(弱光、空間、柔性基片) 7.很多研究和發(fā)展空間CIGS的結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)物理性質(zhì)屬性屬性值值單位單位晶格常數(shù)晶格常數(shù)a a5.785.78埃埃c c11.6211.62埃埃密度密度5.755.75水密度水密度熔點(diǎn)熔點(diǎn)986986273K273K熱膨熱膨脹系數(shù)脹系數(shù)a

2、a軸軸8.32e-68.32e-61/K1/Kc c軸軸7.89e-67.89e-61/K1/K273K273K熱導(dǎo)熱導(dǎo)0.0860.086CIGS的性質(zhì)帶隙：對(duì)CIS為1.04eV，CIGS隨鎵含量增多導(dǎo)帶上升，帶隙增加，CGS為1.65eV。帶隙增加也可以用硫代替硒，此時(shí)價(jià)帶下降電屬性：富銅為p型富銦為n型典型的p型載流子濃度約1016/cm3 遷移率：薄膜高于塊狀單晶高于多晶空穴為15-200cm2/Vs 電子為90-900cm2/Vs 介電常數(shù)：低溫下13.62.4 高溫下8.11.4電子的有效質(zhì)量為0.09電子質(zhì)量重空穴為0.71電子質(zhì)量輕空穴為0.092電子質(zhì)量CIGS中的缺陷主要

3、有：空位取代原子晶粒間界等銅空位銅空位EV+0.03eVEV+0.03eV淺受主淺受主銦代銅銦代銅EC-0.25eVEC-0.25eV補(bǔ)償施主補(bǔ)償施主硒空位硒空位補(bǔ)償施主補(bǔ)償施主銅代銦銅代銦EV+0.29eVEV+0.29eV復(fù)合中心復(fù)合中心表面和晶相生長(zhǎng)的CIGS一般為柱狀多晶，典型晶體大小1微米，112晶向沿垂直薄膜厚度方向電池組件結(jié)構(gòu)包括：基底、(阻擋層)、背電極、吸收層、(硫化鎘緩沖層)、i-zno緩沖層、n-zno上電極層、(減反射層)工作時(shí)大部分吸收層為p型，最上層吸收層和以上各層為n型，帶圖如下基底基底有剛性的玻璃、陶瓷基底和柔性的金屬、塑料基底。一般用普通的鈉鈣玻璃。金屬基底要

4、在金屬上加絕緣阻擋層塑料基底要注意所耐溫度限制硼硅玻璃熱膨脹系數(shù)過(guò)低，聚酰亞胺熱膨脹系數(shù)過(guò)高，要采用特殊工藝阻擋層要求阻擋層的情況：1.金屬基板為求絕緣2.外加鈉源時(shí)準(zhǔn)確控制鈉濃度阻擋層的材料：氧化硅、氮化硅沉積方式：射頻濺射背電極背電極一般用鉬，通常為直流濺射沉積，優(yōu)點(diǎn)為穩(wěn)定性、高反射率、低電阻，缺點(diǎn)為形成硒化鉬可能的替代材料為鉭和鈮對(duì)雙面電池，用導(dǎo)電氧化物層代替鉬吸收層沉積方法主流沉積方法：三步共蒸和濺射硒化三步共蒸和濺射硒化其他沉積方法：反應(yīng)濺射反應(yīng)濺射 化學(xué)水浴沉積化學(xué)水浴沉積 激光蒸發(fā)激光蒸發(fā) 三步共蒸得到最高效率濺射保證大面積均勻性第一緩沖層硫化鎘緩沖層，優(yōu)點(diǎn)是(111)面和CIG

5、S(112)面匹配，缺點(diǎn)是環(huán)境問(wèn)題通常制造方法：鎘鹽+鉻合劑+硫脲 化學(xué)水浴沉積其他制造方法：真空蒸發(fā)濺射原子層化學(xué)氣相沉積電沉積其他制造方法共同缺點(diǎn)：破壞吸收層無(wú)鎘緩沖層：歐洲法律規(guī)定所有電器必須無(wú)鎘，暫不包括光伏裝備無(wú)鎘緩沖層一般為鋅和銦的硫?qū)僭鼗?，制造方法和硫化鎘相似主要問(wèn)題：效率不夠高光照下 產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)第二緩沖層高阻本征氧化鋅層，一般厚度50nm優(yōu)點(diǎn)：增加二極管性能主要沉積方式：射頻濺射透明電極層 上電極要求：n摻雜透明導(dǎo)電氧化物 高透明性、低厚度以降低光學(xué)損耗 低電阻、高厚度以降低串聯(lián)電阻損耗 選用材料： 純材料氧化鋅氧化銦氧化錫 組合材料AZOGZOIZOITO 沉積方式直流濺

6、射(大規(guī)模)射頻濺射反應(yīng)濺射劃線 劃線可為激光、光刻劃線或機(jī)械劃線 第一步鉬層較硬，必須激光劃線；第二步以后可用機(jī)械劃線 線寬低時(shí)可能短路，線寬高時(shí)遮光損失大 劃線間距低時(shí)遮光損失大，劃線間距高時(shí)電阻損失大 一般死區(qū)總寬0.5-1mm，劃線間距5-10mm，光學(xué)損失約10%生產(chǎn)線 實(shí)際生產(chǎn)分為流水線生產(chǎn)和批處理 流水線生產(chǎn)自動(dòng)進(jìn)行，基片在傳送帶上勻速運(yùn)動(dòng)，但速度慢的處理過(guò)程需要很長(zhǎng)的流水線 批處理自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行，一次進(jìn)行很多基片的處理，處理速度慢時(shí)只要處理量大也能得到低成本 不同的工序可以兩者結(jié)合起來(lái)生產(chǎn)成本 生產(chǎn)成本分為直接成本和間接成本 直接成本不隨產(chǎn)量變化，主要是材料成本 降低直接成本的

7、方式：提高材料利用率降低次品率 間接成本隨產(chǎn)量增加而降低，主要為設(shè)備成本環(huán)境考慮 主要環(huán)境問(wèn)題：鎘污染、硒和硒源毒性、銦材料缺乏 解決辦法： 廢水除鎘鎘替代 單質(zhì)硒化 銦回收利用發(fā)展方向 新生產(chǎn)技術(shù)：改進(jìn)沉積裝備更好過(guò)程控制 新材料 輕和柔性基片(塑料、金屬)寬隙合金(含硫)無(wú)鉬背電極(鉬合金、鉭、鈮)無(wú)鎘緩沖層(含鋅、銦)無(wú)銦吸收層(含錫) 新的透明電極(高透光高導(dǎo)電性) 新器件結(jié)構(gòu)：無(wú)緩沖層雙面電池多層電池 多層電池結(jié)構(gòu)：寬隙在上，窄隙在下 初期低成本：非真空過(guò)程效率估計(jì) 實(shí)驗(yàn)室組件效率高于工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)?1.工業(yè)生產(chǎn)難于實(shí)現(xiàn)大面積均勻性 2.實(shí)驗(yàn)室組件不需要?jiǎng)澗€連接，沒有相關(guān)損失 效率具

8、有高穩(wěn)定性，僅濕熱條件下會(huì)退化 最大效率由以下?lián)p失機(jī)制描述光生電流影響短路電流光生電流影響短路電流 影響光生電流的因素有 1.覆格或劃線導(dǎo)致的覆格損失 2.前表面反射，可用減反膜 3.透明導(dǎo)電層吸收 4.緩沖層吸收緩沖層中載流子不收集因?yàn)榫彌_層兩邊性質(zhì)不反轉(zhuǎn)所以有高復(fù)合幾率可用寬帶隙的緩沖層 5.CIGS不完全吸收CIGS薄于1.0 m時(shí)會(huì)透過(guò)部分長(zhǎng)波 6.CIGS光生載流子不完全收集 不同原因電流損失量(mA/cm2) 1 1覆格損失覆格損失1.71.72 2反射損失反射損失3.83.83 3ZnOZnO吸收吸收1.81.84 4CdSCdS吸收吸收0.80.85 5CIGSCIGS不完全產(chǎn)生不完全產(chǎn)生 1.91.96 6CIGSCIGS不完全收集不完全收集 0.40.4復(fù)合損失影響開路電壓復(fù)合損失影響開路電壓 復(fù)合發(fā)生在各層界面、空間電荷區(qū)和塊吸收層 最主要機(jī)制為CIGS空間電荷區(qū)SRH復(fù)合，因此需要在制備時(shí)減少?gòu)?fù)合中心 復(fù)合中心以深能級(jí)缺陷為主，要使用高純材料減少雜質(zhì) 背表面場(chǎng)結(jié)構(gòu)可減少?gòu)?fù)合區(qū)大小電阻損失影響填充因子電阻損失影響填充因子 降低電阻損失：使用厚和低阻的導(dǎo)電氧化物材料層，減少劃線間隔加大背電極厚度 一般小面積電池串