Part5光伏材料与器件2017秋季-化合物薄膜太阳电池(2).pptxVIP

光伏材料与器件;第五章 化合物薄膜太阳电池;CIGS 薄膜太阳能电池;;longsun ;;;CIGS薄膜太阳电池的优点与劣势;问题以及前景;;1953年， 合成CuInSe2 (CIS)单晶， 1967年研究相图 1974年， Bell实验室制备出第一块单晶CIS/CdS电池，效率为5%； 1975年达12% 1976年， Maine大学第一块薄膜CIS/CdS电池，效率6.6% 1981年， 波音获得双层CIS/CdS薄膜电池，效率9.5%； 1982年， CdxZn1-xS代替CdS获得效率＞10%，自此，人们开始重视CIS并开展大量研究 1985年， CdS厚度从3μm减至50nm，并引入低阻ZnO作为窗口层，增强短波响应，这一结构进一步发展成目前的经典结构 1988年， ARCO采用预制层硒化法获得14.1%效率 1980-1990年代，在CIS中掺Ga和S来改善性能； 1989年， 波音制备出效率为12.9%的CIGS电池 1990年代后，美国NREL实验室基于三步共蒸发法，获17.7%-18.8%-19.2-19.9%效率，并一直保持世界纪录 2010年，德国ZSW基于蒸发法，超过NREL将效率提高20.1%，此后又提高到20.3% ;longsun ;CIGS薄膜电池的异质结机理;longsun ;longsun ;多元蒸镀法是利用各自的蒸发源分别蒸镀Cu，In，Ga，Se等不同元素的方法 优点是可实现高转换效率，对于小面积电池片，可实现18%以上的转换效率的目前只有蒸镀法。通常是基板固定，藉由置于蒸发源前方的挡板开闭，选择不同蒸发源使之蒸镀所需要的元素制膜。其中，确保膜厚及组成均匀性技术极为重要。 ;longsun ;longsun ;longsun ;longsun ; 硒化法首先是通过溅镀法沉积金属先驱体，而后将其在稀释的硒化氢（H2Se）气氛中进行硒化热处理，可以形成CIGS薄膜，优点是可以采用工业上已经普遍应用，便于大面积的溅镀法，缺点是热处理时间过长。;longsun ;longsun ;longsun ;;;longsun ;Ⅱ-Ⅵ族化合物中最高的平均原子数，最低的熔点，最大的晶格常数和最大的离子性。CdTe具有闪锌矿（ZnS）结构，键长度2.806?，晶格常数6.481?。;CdTe薄膜太阳电池的优点;碲原料稀缺，无法保证碲化镉太阳能电池的不断增产的需求。 镉作为重金属是有毒的。碲化镉太阳能电池在生产和使用过程中的万一有排放和污染，会影响环境;CdTe薄膜式太阳电池发展历史;在p-型单晶CdTe晶片上，长上异质结的氧化物薄膜，例如In2O3:Sn(ITO)、ZnO、SnO2等也受到更广泛的研究。例如在1977年就有人开发出效率达到10.5%的p-CdTe/ITO太阳电池。 1987年已有人可以做出13.4%的p-CdTe/ITO太阳电池。 p-CdTe/n-CdS太阳电池的发展最早可以追溯到1960年的中期 1977年就已经出现了11.7%效率的p-CdTe/n-CdS太阳电池。 于是这样的p-CdTe/n-CdS结构变成最典型的CdTe太阳电池，它主体是由约2um层的p-CdTe层与仅0.5um厚的n-CdS形成，光子吸收层主要发生与CdTe层。;;CdTe薄膜电池的异质结机理;CdTe薄膜制备技术;电沉积、化学浴沉积等低温沉积技术制备的薄膜致密，晶粒细小。经过后处理，晶粒可以长大。 丝网印刷、近空间升华、元素气相化合等高温沉积技术，制备的薄膜，晶粒尺寸在2～3 u m以上，仍需在含氯化合物+氧气氛下进行后处理，才能制备出较高转换效率的电池，可能的原因是氯不仅促进了晶粒的长大，而在CdTe中作为受主杂质，钝化了晶界缺陷。;蒸发源是被置于一与衬底同面积的容器内，衬底与源材料要尽量靠近放置，使得两者之间的温度差尽量小，从而使薄膜的生长接近理想平衡状态。使用化学计量准确的源材料，也可以得到化学计量准确的CdTe薄膜。一般衬底的温度可以控制在450～600℃之间，而高品质的薄膜可以在大约 1um/min 的速率沉积下得到。;CdTe在高于450度时升华并分解，当它们沉积在较低温度的衬底上时，再化合形成多晶薄膜。为了制取厚度均匀、化学组份均匀、晶粒尺寸均匀的薄膜，不希望镉离子和碲离子直接蒸发到衬底上。因此，反应室要用保护性气体维持一定的气压。这样，源和衬底间的距离必须很小。 因此，保护气体的种类和气压、源的温度、衬底的温度等，是这种方法的最关键的制备条件。保护气体以惰性气体为佳，也可以用氮气和空气。其中，氦气最好，被国外大多数研究组采用。;CdTe吸收层的CdCl2处理;经CdCl2处理后CdTe和CdS的平均晶粒尺寸都大约从0.1um增加到0.5um ;碲化镉太阳能电池的背接触层