CIGS薄膜太陽能電池簡介

1、銅銦鎵硒銅銦鎵硒(CIGS)(CIGS)薄膜太陽薄膜太陽能電池能電池CIGS 薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池 這種以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池，簡稱這種以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池，簡稱為銅銦鎵硒電池為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結(jié)構(gòu)是：電池。其典型結(jié)構(gòu)是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多層膜典型結(jié)。（多層膜典型結(jié)構(gòu)：金屬柵構(gòu)：金屬柵/減反膜減反膜/透明電極透明電極/窗口層窗口層/過渡層過渡層/光吸收層光吸收層/背背電極電極/玻璃）玻璃） CIGS薄膜電池組成可表示成薄膜電池組成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黃銅礦相結(jié)

2、構(gòu)，是的形式，具有黃銅礦相結(jié)構(gòu)，是CuInSe2和和CuGaSe2的混晶半導體。的混晶半導體。 CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀70年代年代Bell實驗室實驗室Shaly等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導體材料等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導體材料CIS的生長機理、電學的生長機理、電學性質(zhì)及在光電探測方面的應(yīng)用性質(zhì)及在光電探測方面的應(yīng)用 1974年，年，Wagner利用單晶利用單晶ClS研制出高效太陽能電池研制出高效太陽能電池,制備困難制約了單晶制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)電池發(fā)展展1976年，年，Kazmerski等制備出了世界上第一個等制備出了世界上第一個ClS多晶薄膜太陽

3、能電池多晶薄膜太陽能電池80年代初，年代初，Boeing公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達9.4%的高效的高效CIS薄膜電池薄膜電池80年代期間，年代期間，ARCO公司開發(fā)出兩步公司開發(fā)出兩步(金屬預(yù)置層后硒化金屬預(yù)置層后硒化)工藝，方法是先濺射沉積工藝，方法是先濺射沉積Cu、In層，然后再在層，然后再在HSe中退火反應(yīng)生成中退火反應(yīng)生成CIS薄膜，轉(zhuǎn)換效率也超過薄膜，轉(zhuǎn)換效率也超過10% 1994年，瑞典皇家工學院報道了面積為年，瑞典皇家工學院報道了面積為0.4cm效率高達效率高達17.6%的的ClS太陽能電池太陽能電池90年代后期，美國可再生能源實驗室年代后期，美國可再生能源實驗

4、室(NREL)一直保持著一直保持著CIS電池的最高效率記錄，并電池的最高效率記錄，并1999年，將年，將Ga代替部分代替部分In的的CIGS太陽能電池的效率達到了太陽能電池的效率達到了18.8%，2008年更提高到年更提高到19.9% 薄膜太陽能電池發(fā)展的歷程太陽能電池的分類按制備材料的不同硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機聚合物太陽能電池納米晶太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電

5、池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池硅基太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池主要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池硅基太陽能電池納米晶太陽能電池有機聚合物太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池主

6、要:GaAs CdS CIGS目前,綜合性能最好的薄膜太陽能電池CIGS的晶體結(jié)構(gòu)CuInSe2黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)CuInSe2復式晶復式晶格格:a=0.577,c=1.154直接帶隙半導體，其光吸收系數(shù)高直接帶隙半導體，其光吸收系數(shù)高達達105量級量級禁帶寬度在室溫時是禁帶寬度在室溫時是1.04eV，電子，電子遷移率和空穴遷移率分遷移率和空穴遷移率分3.2X102(cm2/Vs)和和1X10(cm2/Vs)通過摻入適量的通過摻入適量的Ga以替代部分以替代部分In，形成形成CulnSe2和和CuGaSe2的固熔晶的固熔晶體體Ga的摻入會改變晶體的晶格常數(shù)，的摻入會改變晶體的晶格常數(shù)，改變了原子之間

7、的作用力改變了原子之間的作用力,最終實現(xiàn)最終實現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變，在了材料禁帶寬度的改變，在1.04一一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計調(diào)整，范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計調(diào)整，以達到最高的轉(zhuǎn)化效率以達到最高的轉(zhuǎn)化效率自室溫至自室溫至810保持穩(wěn)定相保持穩(wěn)定相,使制膜使制膜工藝簡單工藝簡單, 可操作性強可操作性強.CIGS的電學性質(zhì)及主要缺陷富富Cu薄膜始終是薄膜始終是p型，而富型，而富In薄膜則既可能薄膜則既可能為為p型，也可能為型，也可能為n型。型。n型材料在較高型材料在較高Se蒸蒸氣壓下退火變?yōu)闅鈮合峦嘶鹱優(yōu)閜型傳導型傳導;相反，相反，p型材料在較型材料在較低低Se蒸氣壓下退火則變?yōu)檎魵鈮合峦嘶饎t變

8、為n型型 CIS中存在上述的本征缺陷，中存在上述的本征缺陷，影響薄膜的電學性質(zhì)影響薄膜的電學性質(zhì) .Ga的的摻入影響很小摻入影響很小.CIGS的光學性質(zhì)及帶隙 CISCIS材料是直接帶隙材料，材料是直接帶隙材料，Cu(In,Ga,Al)SeCu(In,Ga,Al)Se2,2,其帶隙在其帶隙在1.02eV-2.7eV1.02eV-2.7eV范圍變化，覆蓋了可見太陽光譜范圍變化，覆蓋了可見太陽光譜lIn/GaIn/Ga比的調(diào)整可使比的調(diào)整可使CIGSCIGS材料的帶隙范圍覆蓋材料的帶隙范圍覆蓋1.01.0一一l.7eVl.7eV，CIGSCIGS其帶隙值隨其帶隙值隨GaGa含量含量x x變化滿變化

9、滿足下列公式其中，足下列公式其中，b b值的大小為值的大小為0.150.15一一0.24eV0.24eVlCIGS的性能不是的性能不是Ga越多性能越好的，因為短路電流是隨越多性能越好的，因為短路電流是隨著著Ga的增加對長波的吸收減小而減小的。的增加對長波的吸收減小而減小的。l當當x=Ga/(Ga+In)0.3時，隨著時，隨著x的增加，的增加，Eg減小，減小，Voc也減小。也減小。l G.Hanna等也認為等也認為x=0.28時材料缺陷最少，電池性能最時材料缺陷最少，電池性能最好。好。CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo

10、玻璃襯底低阻AZO高阻ZnO金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極

11、金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗

12、口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極玻璃襯底金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極結(jié)構(gòu)原理l減反射膜：增加入射率lAZO： 低阻，高透，歐姆接觸li-ZnO：高阻，與CdS構(gòu)成n區(qū)lCdS： 降低帶隙的不

13、連續(xù)性，緩 沖晶格不匹配問題lCIGS： 吸收區(qū)，弱p型，其空間電 荷區(qū)為主要工作區(qū)lMo: CIS的晶格失配較小且熱膨 脹系數(shù)與CIS比較接近CIGS薄膜電池的異質(zhì)結(jié)機理 CIGS電池的實質(zhì)：窗口-吸收體結(jié)構(gòu)的異質(zhì)p-n結(jié)太陽能電池 光CIGS(弱p)(1.01.7eV)CdS (n)(2.4eV)ZnO (n)(3.2eV)N區(qū)內(nèi)建電場光生電流（電壓）CIGS能帶的失調(diào)值對電池的影響l電子親合能不同,產(chǎn)生導帶底失調(diào)值Ec和價帶失調(diào)值Evl禁帶寬度可調(diào): Ec0或0的能帶結(jié)構(gòu)對提高電池的轉(zhuǎn)換效率有利。當EcO.5eV以后，開路電壓明顯下降，同時短路電流也急劇下降.高效電池Ec的理想范圍在0-

14、0.4eV之間，一般以0.2-0.3ev為宜CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點 材料吸收率高材料吸收率高,吸收系數(shù)高達吸收系數(shù)高達105量級量級,直接帶隙直接帶隙,適合薄膜適合薄膜化化,電池厚度可做到電池厚度可做到23微米微米,降低昂貴的材料成本降低昂貴的材料成本 光學帶隙可調(diào)光學帶隙可調(diào).調(diào)制調(diào)制Ga/In比比,可使帶隙在可使帶隙在1.01.7eV間變化間變化,可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配 抗輻射能力強抗輻射能力強.通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動、通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動、加速度沖擊等試驗加速度沖擊等試驗,光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變光電轉(zhuǎn)換效率幾

15、乎不變.在空間電源方在空間電源方面有很強的競爭力面有很強的競爭力 穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng)光致衰退效應(yīng) 電池效率高電池效率高.小面積可達小面積可達19.9%,大面積組件可達大面積組件可達14.2% 弱光特性好弱光特性好.對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.CIGS太陽能電池研究現(xiàn)狀太陽能電池研究現(xiàn)狀 在20世紀90年代, CIGS薄膜太陽能電池得到長足的發(fā)展, 日本NEDO（新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)）的太陽能發(fā)電首席科學家東京工業(yè)大學的小長井誠教授認為: 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是第三代太陽能電池的首選, 并且是單位重量輸

16、出功率最高的太陽能電池。 所謂第三代太陽能電池就是高效、低成本、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的銅銦鎵硒(CIGS)等化合物薄膜太陽能電池（注：第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等低成本太陽能電池）, 考慮太陽能為綠色的能源和環(huán)境驅(qū)動因素,發(fā)展前景將會十分廣闊。 CIS 薄膜的制備薄膜的制備 CIS薄膜的制備方法多種多樣薄膜的制備方法多種多樣,大致可以歸為三類大致可以歸為三類: CuIn的合金過程和的合金過程和Se化分離；化分離； Cu、In、Se一起合金化；一起合金化； CuInSe2化合物的直接噴涂化合物的直接噴涂。 主要的制備技術(shù)包括主要的制備技術(shù)包括:真空蒸鍍、電沉積、反應(yīng)濺射、化真

17、空蒸鍍、電沉積、反應(yīng)濺射、化學浸泡、快速凝固技術(shù)、化學氣相沉積、分子束外延、噴學浸泡、快速凝固技術(shù)、化學氣相沉積、分子束外延、噴射熱解等。射熱解等。其中蒸鍍法所制備的其中蒸鍍法所制備的CIS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高。太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高。另外另外,電沉積工藝也以其簡單低廉的制作過程得到了廣泛研究電沉積工藝也以其簡單低廉的制作過程得到了廣泛研究,有相當有相當?shù)膽?yīng)用前景的應(yīng)用前景 問題以及前景問題以及前景 CIS光伏材料優(yōu)異的性能吸引世界眾多專家研究了光伏材料優(yōu)異的性能吸引世界眾多專家研究了20年年 ,直到直到2000年才初步產(chǎn)業(yè)化年才初步產(chǎn)業(yè)化,其主要原因在于其主要原因在于工藝的重復性工藝的重復

18、性差差,高效電池成品率低高效電池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是薄膜是多元化合物半導多元化合物半導體體,原子配比以及晶格匹配性往往依賴于制作過程中對主原子配比以及晶格匹配性往往依賴于制作過程中對主要半導體工藝參數(shù)的精密控制要半導體工藝參數(shù)的精密控制。目前。目前,CIS薄膜的基本特性薄膜的基本特性及晶化狀況還沒有完全弄清楚及晶化狀況還沒有完全弄清楚,無法預(yù)測無法預(yù)測CIS材料性能和器材料性能和器件性能的關(guān)系。件性能的關(guān)系。CIS膜與膜與Mo襯底間較差的附著性襯底間較差的附著性也是成品也是成品率低的重要因素。同時在如何降低成本方面還有很大空間。率低的重要因素。同時在如何降低成本方面還有很大空間。以上這些都是世界各國研究以上這些都是世界各國研究CIS光伏材料的發(fā)展方