第九講CIGS薄膜太陽能電池

1、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池,CIGS 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，簡稱為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結構是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多層膜典型結構：金屬柵/減反膜/透明電極/窗口層/過渡層/光吸收層/背電極/玻璃） CIGS薄膜電池組成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黃銅礦相結構，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半導體。,CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀,70年代Bell實驗室Shaly等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導體材料CIS的生長機理、電學性質(zhì)及在光電探測方面的應用 1974年，Wag

2、ner利用單晶ClS研制出高效太陽能電池,制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)展 1976年，Kazmerski等制備出了世界上第一個ClS多晶薄膜太陽能電池 80年代初，Boeing公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達9.4%的高效CIS薄膜電池 80年代期間，ARCO公司開發(fā)出兩步(金屬預置層后硒化)工藝，方法是先濺射沉積Cu、In層，然后再在HSe中退火反應生成CIS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0.4cm效率高達17.6%的ClS太陽能電池 90年代后期，美國可再生能源實驗室(NREL)一直保持著CIS電池的最高效率記錄，并1999年，將Ga代替部分In的CIGS太陽能

3、電池的效率達到了18.8%，2008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,

4、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,CIGS的晶體結構,CuInSe2黃銅礦晶格結構,CuInSe2復式晶格:a=0.577,c=1.154 直接帶隙半導體，其光吸收系數(shù)高達105量級 禁帶寬度在室溫時是1.04eV，電子遷移率和空穴遷移率分3.2X102(cm2/Vs)和1X10(cm2/Vs) 通

5、過摻入適量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶體 Ga的摻入會改變晶體的晶格常數(shù)，改變了原子之間的作用力,最終實現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變，在1.04一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設計調(diào)整，以達到最高的轉(zhuǎn)化效率 自室溫至810保持穩(wěn)定相,使制膜工藝簡單, 可操作性強.,CIGS的電學性質(zhì)及主要缺陷,富Cu薄膜始終是p型，而富In薄膜則既可能 為p型，也可能為n型。n型材料在較高Se蒸 氣壓下退火變?yōu)閜型傳導;相反，p型材料在較 低Se蒸氣壓下退火則變?yōu)閚型,CIS中存在上述的本征缺陷， 影響薄膜的電學性質(zhì) .Ga的摻入影響很小.,CIGS的光學性質(zhì)及帶隙,CIS材料是直接帶

6、隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其帶隙在1.02eV-2.7eV范圍變化，覆蓋了可見太陽光譜,In/Ga比的調(diào)整可使CIGS材料的帶隙范圍覆蓋1.0一l.7eV，CIGS其帶隙值隨Ga含量x變化滿足下列公式其中，b值的大小為0.15一0.24eV,CIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因為短路電流是隨著Ga的增加對長波的吸收減小而減小的。 當x=Ga/(Ga+In)0.3時，隨著x的增加，Eg減小，Voc也減小。 G.Hanna等也認為x=0.28時材料缺陷最少，電池性能最好。,CIGS薄膜太陽能電池的結構,金屬柵電極,減反射膜(MgF2),窗口層ZnO,過渡層CdS,光吸收層CIGS

7、,金屬背電極Mo,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(

8、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,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,過渡層CdS,過渡層CdS,光吸收層CIGS,過渡層CdS,光吸收層CIGS,過渡層CdS,金屬背電極Mo,光吸收層CIGS,過渡層CdS,過渡層CdS,過渡層CdS,金屬背電極Mo,金屬背電極Mo,玻璃襯底,金屬背電極Mo,結構原理,減反射膜：增加入射率 AZO： 低阻，高透，歐姆接

9、觸 i-ZnO：高阻，與CdS構成n區(qū) CdS： 降低帶隙的不連續(xù)性，緩 沖晶格不匹配問題 CIGS： 吸收區(qū)，弱p型，其空間電 荷區(qū)為主要工作區(qū) Mo: 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)結機理,CIGS電池的實質(zhì)：窗口-吸收體結構的異質(zhì)p-n結太陽能電池,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,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Ev 禁帶寬度可調(diào): Ec0或0,討論:對負的Ec而言，由于窗口層和吸收層界

10、面之間的復合，將降低開路電壓; Ec0的能帶結構對提高電池的轉(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0-0.4eV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,吸收系數(shù)高達105量級,直接帶隙,適合薄膜化,電池厚度可做到23微米,降低昂貴的材料成本 光學帶隙可調(diào).調(diào)制Ga/In比,可使帶隙在1.01.7eV間變化,可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配 抗輻射能力強.通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動、加速度沖擊等試驗,光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變.在空間電源方面有很強的競爭力 穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的

11、光致衰退效應 電池效率高.小面積可達19.9%,大面積組件可達14.2% 弱光特性好.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,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)技術開發(fā)機構）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

12、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,CIS薄膜的制備方法多種多樣,大致可以歸為三類: CuIn的合金過程和Se化分離；Cu、In、Se一起合金化；CuInSe2化合物的直接噴涂。 主要的制備技術包括:真空蒸鍍、電沉積、反應濺射、化學浸泡、快速凝固技術、化學氣相沉積、分子束外延、噴射熱解等。其中蒸鍍法所制備的CIS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高。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,有相當?shù)膽们熬?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20年 ,直到2000年才初步產(chǎn)業(yè)化,其主要原因在于工藝的重復性差,高效電池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是多元化合物半導體,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。目前,CIS薄膜的基本特性及晶化狀況還沒有完全弄清楚,無法預測CIS材料性能和器件性能的關系。CIS膜與Mo襯底間較差的附著性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。以上這些都是世界各國研究CIS光伏材料的發(fā)展方向。,CIGS薄膜太陽能電池的制備,CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法,工藝路線比較成熟 最關鍵的吸收層的制備有許多不同的方法，這些沉