太阳能电池材料4.ppt

CIGS薄膜太阳能电池材料 CIGS电池的发展历史及研究现状 70年代Bell实验室Shaly等人系统研究了三元黄铜矿半导体材料CIS的生长机理、电学性质及在光电探测方面的应用 1974年，Wagner利用单晶ClS研制出高效太阳能电池,制备困难制约了单晶ClS电池发展 1976年，Kazmerski等制备出了世界上第一个ClS多晶薄膜太阳能电池 80年代初，Boeing公司研发出转换效率高达9.4%的高效CIS薄膜电池 80年代期间，ARCO公司开发出两步(金属预置层后硒化)工艺，方法是先溅射沉积Cu、In层，然后再在H２Se中退火反应生成CIS薄膜，转换效率也超过10% 1994年，瑞典皇家工学院报道了面积为0.4cm２效率高达17.6%的ClS太阳能电池 90年代后期，美国可再生能源实验室(NREL)一直保持着CIS电池的最高效率记录，并1999年，将Ga代替部分In的CIGS太阳能电池的效率达到了18.8%，2008年更提高到19.9% CIGS的光学性质及带隙 CIS材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在1.02eV-2.7eV范围变化，覆盖了可见太阳光谱 CIGS薄膜太阳能电池的结构 结构原理 基底 　　基底有刚性的玻璃、陶瓷基底和柔性的金属、塑料基底。 　　一般用普通的钠钙玻璃。 　　金属基底要在金属上加绝缘阻挡层 　　塑料基底要注意所耐温度限制 　　硼硅玻璃热膨胀系数过低，聚酰亚胺热膨胀系数过高，要采用特殊工艺 阻挡层　 　　要求阻挡层的情况： 　　1.金属基板为求绝缘 　　2.外加钠源时准确控制钠浓度 　　阻挡层的材料： 　　氧化硅、氮化硅 　　沉积方式： 　　射频溅射 背电极　 　　背电极一般用钼，通常为直流溅射沉积，优点为稳定性、高反射率、低电阻，缺点为形成硒化钼 　　可能的替代材料为钽和铌 　　对双面电池，用导电氧化物层代替钼 吸收层沉积方法 　　主流沉积方法： 　　三步共蒸和溅射硒化 　　其他沉积方法： 反应溅射 　化学水浴沉积 　激光蒸发 第一缓冲层　 　　硫化镉缓冲层，优点是(111)面和CIGS(112)面匹配，缺点是环境问题 　　通常制造方法：镉盐+铬合剂+硫脲 化学水浴沉积 　　其他制造方法：真空蒸发　溅射　原子层化学气相沉积　电沉积 　　其他制造方法共同缺点：破坏吸收层 　　无镉缓冲层：欧洲法律规定所有电器必须无镉，暂不包括光伏装备 　　无镉缓冲层一般为锌和铟的硫属元素化物，制造方法和硫化镉相似 　　主要问题：效率不够高　光照下 产生亚稳态 第二缓冲层　 　　高阻本征氧化锌层，一般厚度50nm 　　优点：增加二极管性能 　　主要沉积方式：射频溅射 透明电极层 上电极　要求：n掺杂透明导电氧化物 高透明性、低厚度以降低光学损耗 低电阻、高厚度以降低串联电阻损耗 选用材料： 纯材料　氧化锌　氧化铟　氧化锡 组合材料　AZO　GZO　IZO　ITO 沉积方式　直流溅射(大规模)　射频溅射　反应溅射 划线 划线可为激光、光刻划线或机械划线 第一步钼层较硬，必须激光划线；第二步以后可用机械划线 线宽低时可能短路，线宽高时遮光损失大 划线间距低时遮光损失大，划线间距高时电阻损失大 一般死区总宽0.5-1mm，划线间距5-10mm，光学损失约10% 生产成本 生产成本分为直接成本和间接成本 直接成本不随产量变化，主要是材料成本 降低直接成本的方式：提高材料利用率　降低次品率 间接成本随产量增加而降低，主要为设备成本 环境考虑 主要环境问题：镉污染、硒和硒源毒性、铟材料缺乏 解决办法： 废水除镉　镉替代 单质硒化 铟回收利用 效率估计 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制备主要设备及主要测试设备： 磁控溅射设备：制备Mo电极、CuInGa合金预制层、本征i-ZnO和搀杂AL-ZnO(ITO)透明导电层、上电极ＡＬ 硒化装置：对CuInGa合金预制层进行硒化，形成Ｎ型的吸收层CuInxGa1-xSe2 水浴反应槽：制备过渡层CdS或ZnS 测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射仪、I-V分析系统等 铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制造工艺路线 清洁—基膜—单元或多元磁控溅射—沉积—硒化—防护膜—随机检测—印刷—切割—检测—组装—检测—包装。 CIGS薄膜太阳能电池的制备 CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟 最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法 市场调研公司Solarbuzz对未来五年，直至2018年的CIGS产能分析。 问题以及前景 CIS光伏材料优异的性能吸引世界众多专家研究了20