薄膜太陽能電池1

1、CIGS和和CZTS薄膜太陽能電池及其制備方法薄膜太陽能電池及其制備方法匯報人：張德龍匯報人：張德龍學號：學號：1672213716722137PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： PPT論壇： 目 錄CONTENTSCIGS薄膜太陽能電池簡介CIGS薄膜太陽能電池的制備總結CZTS薄膜太陽能電池簡介年度工作概述總結CZTS薄膜太陽能電池的制備CIGS薄膜太陽能電池簡介太陽能電池分類及發(fā)展 一般而言，薄膜太陽能電

2、池主要包括硅基薄膜電池（分為非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜電池三種）、碲化鎘（CdTe）薄膜電池、砷化鎵（GaAs）薄膜電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池。 薄膜太陽能電池中硅基薄膜電池、碲化鎘（CdTe）薄膜電池、砷化鎵（GsAs）薄膜電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池屬于第二代太陽能電池，起步較早，且技術已經(jīng)達到較高的成熟度，不僅在實驗室取得豐碩的研究成果，而且已投入使用并占一定的市場份額。CIGS太陽能電池結構示意圖銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池包括銅銦硒（CIS）、銅銦鎵硒（CIGS）、銅銦鎵硒硫（CIGSS）系列。由6層薄膜構成，從下到上依次是：0.5-1.5m厚的金屬鉬(Mo)背電極層

3、，1.5-2m的CIGS吸收層，50nm的硫化鋅(ZnS)緩沖層，50nm的本征氧化鋅(ZnO)層，0.5-1.5m的ZnO:Al(TCO)透明電極0.1m的氟化鎂(MgF2)薄膜減反層。吸收層CIGS（CuInGaSe2）是薄膜電池的核心吸光材料，屬于正方晶系黃銅礦結構，為p型半導體，光生載流子主要在這里生成。通過摻雜適量Ga到CuInSe，以Ga代替部分同族In的位置，如果調(diào)整Ga的成分比例，即可形成梯度帶隙半導體（而CIS為直接帶隙半導體），產(chǎn)生背表面場，則獲得更多的輸出電流，從而大大提高其性能。ZnS為n型半導體，與CIGS形成p-n結構。CIGS黃銅礦和ZnS閃鋅礦的結構CIGS薄膜

4、太陽能電池的基本工作原理 以CIGS薄膜作為P型區(qū)，以ZnS、i-ZnO、TCO薄膜共同構成n型區(qū)。 形成的機理主要是P區(qū)和n區(qū)多子的相互擴散，最終達到動態(tài)平衡形成內(nèi)建場。E是內(nèi)建場，使得產(chǎn)生的空穴-電子對分離的動力。 內(nèi)建場使得P型區(qū)的費米能級上移，n型區(qū)的費米能級下移，形成p-n結統(tǒng)一的準費米能級。當能量大于CIGS薄膜禁帶寬度的光子注入到其中時，將被吸收并激發(fā)出空穴-電子對。電子被分離至n型區(qū)，空穴被分離至P型區(qū)，形成光電流。CIGSe薄膜太陽能電池的主要工作原理(a) p-n結的形成示意圖；(b) p-n結的能帶示意圖PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載

5、： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： PPT論壇： p 具有較強抗輻射能力p 硏究發(fā)現(xiàn)，在1MeV電子輻照下，CIGS性能并沒有任何衰減趨勢1p 光吸收能力強。p 通過調(diào)節(jié)Ga的含量，可使CIGS的禁帶寬度在1.04-1.67 eV內(nèi)調(diào)整，以得到所要的吸收層材料2p 轉(zhuǎn)換效率高p 德國Manz集團與ZSW合作制造的實驗室轉(zhuǎn)換效率21.7%的電池p 最近日本企業(yè)制備了轉(zhuǎn)換效率為22.3%的電池3p 穩(wěn)定性好，使用壽命長p 日本Showa Shell公司對11kw的CIGS電池方陣進

6、行了戶外測試，測試時間共持續(xù)3年4CISG薄膜太陽能電池具有以下幾個優(yōu)點：在薄膜太陽能電池中，銅銦鎵硒作為吸收層的薄膜太陽電池有近似最佳的光學能隙，此外成本低、性能穩(wěn)定、輕柔便攜、弱光效應好、適用性強，可設計成任意尺寸和功率，適用于消費品市場、小型戶dianch用屋頂組件、大型商用屋頂輕質(zhì)組件、太陽能電站組件等領域。CIGS電池的發(fā)展歷程CIGS薄膜制備技術的研發(fā)熱點 在CIGS太陽能電池技術發(fā)展過程中，需要科研工作者進一步解決的主要問題包括以下三個方面：（1）提高光電轉(zhuǎn)換效率（2）降低電池成本（3）無毒無污染工藝開發(fā)CIGS 薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展 世界CIGS 薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了

7、三個階段。 第一階段（2000-2003 年），德國的Wurth Solar和日本的Showa Shell、Honda Soltec 等企業(yè)首先實現(xiàn)了玻璃基板襯底CIGS 薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，并且逐漸向大尺寸方向發(fā)展； 第二階段（2004-2007年），柔型襯底研發(fā)階段， 以美國的Global Solar Energy、Miasole等企業(yè)為代表； 第三階段（2008 年-至今），基于金屬/聚合物襯底的roll-to-roll 工藝研究，以美國Nano solar、ISET 公司和中國臺灣工業(yè)技術研究院為代表 在國內(nèi)，漢能集團薄膜太陽能產(chǎn)能已達到3GW，超過美國第一太陽能，成為世界上規(guī)模最

8、大的薄膜太陽能企業(yè)。且收購了Solibro等國外薄膜太陽能公司。 在自主創(chuàng)新方面，雖然CIGS的實驗室轉(zhuǎn)換效率已超過20%，但很大規(guī)模的商業(yè)量產(chǎn)和明顯的技術優(yōu)勢尚未出現(xiàn)，使國內(nèi)企業(yè)通過走自主創(chuàng)新路線掌握核心技術的構想成為可能。CIGS薄膜太陽能電池的制備 各種CIGS薄膜太陽能電池的制備方法不同之處主要在于吸收層CIGS薄膜的制備過程，而除此之外的其余各層主流制備方法大同小異。一般將CIGS薄膜的制備方法分為真空法和非真空法兩大體系。 制備技術包括：多元共蒸發(fā)法、濺射硒化法、電沉積法、絲網(wǎng)印刷法、微粒沉積法、分子束外延法等等。 目前已經(jīng)用于生產(chǎn)并且制備出高效率電池的方法是真空法，其中主要是蒸發(fā)

9、法和濺射硒化法。 真空法制備所得的CIGS薄膜質(zhì)量以及其電池效率基本都優(yōu)于非真空法，因此是實驗室研究中得到高效率電池的主要手段。但是相比非真空法而言，真空法工藝所需要的設備初始投入成本很高，因此非真空法被視為降低CIGS太陽能電池制造成本的有效途徑之一。銅銦鎵硒太陽能電池制備的主要設備及測試設備： 磁控濺射設備：制備Mo電極，CuInGa合金預制層，本征i-ZnO和摻雜Al-ZnO（ITO）透明導電層，上電極AL。 硒化裝置：對CuInGa合金預制層進行硒化，形成N型吸收層。 水浴反應槽：制備過渡層CdS或ZnS 測試設備主要有：臺階儀，SEM，XRD，RAMAN，分度光透射儀，I-V分析系統(tǒng)

10、等。 多元共蒸發(fā)法是利用被蒸發(fā)物在高溫時的真空蒸發(fā)來進行薄膜沉積的，是典型的物理氣相沉積工藝（PVD），在真空環(huán)境中采用單質(zhì)銅(Cu)、銦(In)、鎵(Ga)、硒(Se)四種蒸發(fā)源，利用電阻絲加熱方式將置于坩堝中分別被單獨加熱進行蒸發(fā)，各元素沉積于襯底上并在高溫下化合反應生成CIGS 薄膜。 此方法可以精確地控制每種元素在反應過程中的供應量，進而實現(xiàn)對薄膜化學元素的調(diào)控，因此制備的電池效率最高。為了大面積電池的制備和原料利用率的提高，需要開發(fā)線型蒸發(fā)器取代實驗室中使用的點源坩堝。這也成為蒸發(fā)法實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的關鍵所在。 濺射硒化法首先利用磁控濺射方法制備出CuInGa的金屬預置層，然后在硒蒸氣

11、中對預制層進行硒化處理，從而得到滿足化學計量比的薄膜。 濺射工藝易于精確控制薄膜中各元素的化學計量比，膜的厚度和成分分布均勻，且對設備要求不高，目前已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)化的首選工藝。 磁控濺射鍍膜技術在產(chǎn)業(yè)界非常成熟，適合高產(chǎn)率、大面積襯底的模式。但硒化的工藝需要開發(fā)穩(wěn)定可靠的退火裝置，目前只有少數(shù)公司掌握相關的產(chǎn)業(yè)化技術。另外，由于硒化過程難于調(diào)控和監(jiān)測，在相關的反應機理方面還有待進一步的研究。 電沉積法是指利用電位差使得含有Cu、In、Ga、Se元素的電解液發(fā)生氧化還原反應，并在電極上析出形成CIGS薄膜。 電解液通常由CuCl，InCl3，GaCl3，亞硝酸和絡合劑構成。一般采用三電極法，Mo薄

12、膜底電極作為工作電極，鈾作為對電極，飽和甘汞作為參比電極。根據(jù)沉積步驟的不同，可分為一步共沉積法和多步連續(xù)沉積法。沉積所得的CIGS薄膜還需經(jīng)過退火以提高結晶質(zhì)量。 由于Cu、In、Ga離子的電位差較大，很難得到符合化學計量比的CIGS薄膜，但工藝相對簡單，成本較低，且方法本身有提純原料的效果，因此被視為可能成為工業(yè)化生產(chǎn)的途徑之一。 噴涂高溫分解法是把反應物以氣霧的形式噴射到高溫襯底上，反應物分解合成CIGS薄膜。 反應物溶液由飽和的CuCl，InCl3，GaCl3和有機物混合構成。在鍍膜過程中，不同的溶液配比、噴射速度、襯底溫度等因素都對CIGS薄膜質(zhì)量有直接影響，其中襯底溫度的影響作用最

13、大。 通過控制工藝參數(shù)，可以抑制各種二次相的生成，并制備出具有良好結構和電學性能的CIGS薄膜。該工藝的不足之處是制備的薄膜不太致密，存在針孔，這將增大器件的串聯(lián)電阻，降低其填充因子。 除了用Zn(O,S,OH)代替CdS作為緩沖層之外，這次制備的太陽能電池的完整結構與之前該作者的報道相似。 Rui Kamada等將Mo背接觸濺射到具有堿控制層的鈉鈣玻璃上，再用H2Se氣體將前體層硒化，隨后在爐中用H2S氣體硫化以形成p型CIGS吸收層。然后通過化學浴沉積將Zn(O,S,OH)緩沖層沉積到吸收層上。最后，通過電子束蒸發(fā)沉積Al接觸電極和MgF2抗反射層。 Yong Cui等使用CuCl，InC

14、l3，Ga（NO3）3，硫粉以及一些有機物等原料，先合成銅銦鎵硫納米晶體，再將制得的銅銦鎵硫分子前體溶液與前者制備的納米油墨混合制得CIGS薄膜。然后將CIGS膜和硒粉在氮氣下進行硒化工藝，在540的爐中熱處理30分鐘。通過化學浴沉積將約50nm厚的CdS薄膜沉積在CIGSSe薄膜上。濺射50 nm的本征ZnO和250nm氧化銦錫，還有熱蒸發(fā)2m鋁柵電極，最終制備出CIGSSe電池。 通過這種方式制造的單p-n結的CIGSSe薄膜太陽能電池顯示10.19%的功率轉(zhuǎn)換效率?？偨Y 化合物半導體太陽電池如砷化鎵(GaAs)、銅銦鎵硒(CIGS)和碲化鎘(CdTe)等薄膜太陽電池，雖然已經(jīng)投入到產(chǎn)業(yè)使

15、用，具備一定規(guī)模，但基于成本和環(huán)保等因素的考慮，都或多或少有一些局限，阻礙這些電池的進一步發(fā)展。 Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4銅鋅錫硫材料具有與CIGS材料相似的光學性質(zhì)和半導體性質(zhì)，且原料豐富，已被認為是是CIGS重要的替代材料。 近年來，CZTS薄膜太陽電池以其較低的成本、良好的光電特性、環(huán)境友好等特點而受到人們的廣泛關注，逐漸成為薄膜太陽電池領域的研究熱點。CZTS薄膜太陽能電池簡介通常CZTS薄膜太陽電池是在鉬襯底或鍍鉬的鈉鈣玻璃襯底上制備型CZTS和型CdS薄膜構成的異質(zhì)結結構(其中CZTS吸收層禁帶寬度為1.5e左右，光吸收系數(shù)高達10)；圖為CZTS薄膜太陽電池結構示意圖，

16、自下往上依次為：鈉鈣玻璃（SLG）背電極（o）吸收層（CZTS）緩沖層（CdS）窗口層（ZnO）透明導電層（ZAO，ITO） 金屬柵狀電極。（Al，Ag）CZTS薄膜太陽電池結構示意圖CZTS 晶體結構這種四元化合物太陽電池吸收層材料是一種直接帶隙半導體材料，且具有與CIGS相同的黃銅礦晶體結構。CZTS可以看作是用Zn替代CIGS薄膜材料當中的In，而用Sn替代Ga所形成的新型光電薄膜材料。CZTS電池研究面臨的問題 目前，CZTS類電池的研究大多停留在初級的階段，合成的樣品往往質(zhì)量較差，成分偏離理想化學配比，不均勻，缺陷濃度高以及生成雜相化合物等。鑒于目前CZTS 電池較低的轉(zhuǎn)換效率，要實

17、現(xiàn)CZTS 電池大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化還需開展大量基礎研究工作: 1）在CZTS 材料制備方面，以先沉積金屬前驅(qū)體膜加后續(xù)硫化為例，硫化過程中硫元素的擴散機理和硫化物的形成和相轉(zhuǎn)變過程，CZTS 晶粒尺寸與硫化溫度及時間的關系，CZTS 與背電極材料的相互作用與控制問題等。 2）在CZTS 太陽電池制備方面，除采用含有毒元素Cd 的CdS 作為緩沖層形成異質(zhì)結電池外，能否找到合適的環(huán)保型替代材料？ 此外，CZTS 化合物精確的原子配比和晶格匹配對工藝條件要求很高；同時，CZTS 薄膜的基本特性和結晶性能尚未完全被理解，CZTS 薄膜太陽電池目前仍處于實驗室研究階段。CZTS薄膜太陽能電池的制備 C

18、ZTS 薄膜的制備方法大致分為兩類: 物理法( 真空法) 與化學法( 非真空法) 。 其中真空法主要包括: 磁控濺射法、真空熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、激光脈沖沉積法等。 非真空法主要包括: 電化學沉積法、溶膠凝膠法、噴涂熱解法等。 共蒸發(fā)法是指將多種原料在不同蒸發(fā)源中蒸發(fā)并同時沉積到基板上的薄膜制備技術。根據(jù)蒸發(fā)源的不同，可分為熱共蒸發(fā)技術和電子束共蒸發(fā)技術。其中熱共蒸發(fā)技術是出現(xiàn)比較早的薄膜制備方法之一，從而在CZTS領域首先被重視。 采用此法制備CZTS薄膜與經(jīng)典的熱共蒸發(fā)制備CIGS工藝基本一致，是利用電加熱將銅、鋅、錫、硫的高純材料在高真空中加熱到熔點以上產(chǎn)生升華并沉積在加熱到一定溫度的

19、基板上結晶形成CZTS薄膜。超高真空磁控濺射系統(tǒng)示意圖磁控濺射通過電離產(chǎn)生r等離子轟擊靶材表面，使靶材呈原子或原子團的形式噴射逸出落在靶材對面的襯底表面凝聚成薄膜。磁控濺射工藝非常適合于制備熔點和蒸氣壓都不太相同的元素所構成的化合物或合金薄膜。磁控濺射技術制備CZTS通常是先濺射制備預置層，然后硫化獲得薄膜。其中靶材可以是單質(zhì)金屬靶，也可以是二元硫化物靶（如：Cu2S、ZnS,SnS2） 電沉積法制備CZTS 薄膜可分為兩步：首先用含Cu，Zn和Sn 的鹽溶液作為金屬源進行電化學沉積到鍍Mo玻璃上得到金屬預置層，然后將金屬預置層高溫硫化從而制備出CZTS薄膜。 電化學沉積技術是一種極具潛力的低

20、成本制備CZTS預制層薄膜的方法。電沉積在常溫下進行，因此薄膜中不存在殘余熱應力問題，且由于電沉積不需要真空，因此設備投資相對較少，突出的優(yōu)點是原材料利用率高、工藝過程簡單。 但是這種方法制備的金屬預置層往往金屬成份比例較難控制，成膜速度較低且薄膜不夠致密。 噴涂熱解技術制備CZTS薄膜通常是將銅、鋅、錫金屬氯化物和硫族化合物等原料配制成溶液，然后將溶液噴射到正在加熱的襯底上，霧狀溶液落到襯底后，高溫使溶液中的原料瞬間分解并反應生成CZTS前驅(qū)體薄膜，最后對前驅(qū)體薄膜進行熱處理獲得致密的CZTS薄膜。 噴霧熱解法制備CZTS 薄膜工藝簡單，生長速度可控且成本較低。非常適合于大面積成膜。但噴涂熱解技術制備的CZTS前驅(qū)體薄膜中通常存在雜相，晶粒也較小，還有微量殘氯、碳等。 J.Madarsz等人利用熱