GS薄膜电池.ppt

CIGS薄膜电池开发和材料特性 李建军 1120110091 主要内容 CIGS电池特点 发展历史 电池理制备及其性能 研究进展 存在的问题 CIGS电池特点 Cu(In, Ga)Se2(CIGS)是Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有黄铜矿晶体结构 （1）光电转换效率高 NREL最高20.3%，是各类薄膜太阳电池的最高记录 （2）电池稳定性好，性能基本无衰降。 （3）抗辐照能力强，用作空间电源有很强的竞争力 （4）弱光特性好 CIGS电池特点 （5）通过适量的Ga 取代In，形成CIGS 四 元多晶固溶体，其禁带宽度可在1.04～1.67 eV 范围内连续可调 （6）CIGS 是直接禁带材料，其可见光吸 收系数高达105 cm－1 数量级，非常适合太阳电池的薄膜化。 （7）技术成熟后，电池制造成本和能量偿还时间均低于晶体硅太阳电池。 发展历史 first CuInSe2 1970s Bell Laboratories first thin-film CuInSe2 /CdS Kazmerski etc. first high-efficiency 9.4% Boeing manufacturing issues 1980s Boeing (coevaporation), ARCO Solar (two-stage process followed by anneal) NERL 20.3%（coevaporation） 2010 电池结构和性能 p 型CIGS 和n 型CdS 及高阻n 型ZnO形成p-n 异质结是CIGS 薄膜太阳电池的核心层 各层制备工艺 组件结构 CIGS 光伏组件是由许多宽约5～7 mm 的条状电池串接而成。三次切割划线完成了各子电池的界定、分割和互联。此三条切割线及其之间的间距均对光电转换效率没有贡献，称之为死区。因此这些线宽和间距应尽量小 吸收层制备方法 1.线性源共蒸发 2.预制层后硒化快速退火 性能参数比较 CIS 与其它太阳电池材料吸收系数的比较 缺陷种类及能级位置 光电流损失 下实线为偏压0 V，上实线为偏压－1 V图5 CIGS 薄膜电池的量子效曲线 辐照强度对光电转换率的影响 辐照强度下降，导致串联电阻和并联电阻上升，使得填充因子下降 短路电流线性下降 使得开路电压下降 铜含量对电池参数的影响 温度对电池性能的影响 1载流子 浓度--电阻率 2禁带宽度 3缺陷态处于 不同的激发态 抗辐射性 CIGS电池的稳定性 研究进展和方向 1干法缓冲层 2无镉工艺 3少In、少Ga工艺 4非真空低成本工艺 5叠层四端工艺 6柔性电池 7进一步提高小面积电池的转换效率 干法缓冲层 CBD法的缺陷 MOCVD、ALCVD等软沉积方法 CdZnS、ZnSe（2.67ev） 和ZnIn2Se4(2.0ev)、In2S3(3.2ev)、In(OH)xSy 溅射法(化学预处理) (Zn,Mg)O 无Cd工艺 缓冲层材料要求： 1高阻n 型或者本征的，以防止pn 结短路。 2和吸收层间要有良好的晶格匹配，以减少界面缺陷，降低界面复合 3需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光 4对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也是非常重要的 无Cd缓冲层 少In少Ga工艺 锌黄锡矿(Kesterite)结构的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶体，通过Zn 和Sn 各替代一半黄铜矿结构中的In，电池效率9.6% Cu(In1-xAlx)Se2 材料的制备方法包括蒸发法和后硒化法。蒸发法即采用与CIGS 类似的蒸发工艺，共蒸发Cu、In、Al 和Se 四种元素形成薄膜。后硒化法即溅射沉积Cu-In-Al 预制层，然后在Se 气氛下退火。 IEC 制备了具有Mo/Cu(In1-xAlx)Se2/CdS/ZnO/ITO/Ni-Al 电极/MgF2 结构的太阳电池，单结太阳电池的转换效率达到了16.9% 非真空低成本工艺 涂覆法 涂覆法是将Cu-In-Ga-Se 以一定的比例混合制备成纳米颗粒涂料，涂覆在衬底上，烘干后形成电池的吸收层 其中最具代表的是IBM 公司采用的工艺方法和Nanosolar 公司采用的工艺方法，14.5%左右 电沉积法 在酸性溶液中，以衬底为阴极沉积CIGS 薄膜的方法 美国国家再生能源实验室(NREL)的Bhattacharya 在氯化物溶液体系中一步法沉积CIGS薄膜，得到富铜的CIGS 薄膜，在真空硒气氛环境中进行热处理，并蒸发少量的In、Ga 调节CIGS 薄膜成分，使之接近化学计量比，制备的电池效率达到15.4% 叠