《CIGS薄膜電池》PPT課件.ppt

CIGS薄膜電池開發(fā)和材料特性,李建軍 1120110091,主要內容,CIGS電池特點 發(fā)展歷史 電池理制備及其性能 研究進展 存在的問題,CIGS電池特點,Cu(In, Ga)Se2(CIGS)是-族化合物半導體材料，具有黃銅礦晶體結構 （1）光電轉換效率高 NREL最高20.3%，是各類薄膜太陽電池的最高記錄 （2）電池穩(wěn)定性好，性能基本無衰降。 （3）抗輻照能力強，用作空間電源有很強的競爭力 （4）弱光特性好,CIGS電池特點,（5）通過適量的Ga 取代In，形成CIGS 四 元多晶固溶體，其禁帶寬度可在1.041.67 eV 范圍內連續(xù)可調 （6）CIGS 是直接禁帶材料，其可見光吸 收系數高達105 cm1 數量級，非常適合太陽電池的薄膜化。 （7）技術成熟后，電池制造成本和能量償還時間均低于晶體硅太陽電池。,發(fā)展歷史,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,電池結構和性能,p 型CIGS 和n 型CdS 及高阻n 型ZnO形成p-n 異質結是CIGS 薄膜太陽電池的核心層 各層制備工藝,組件結構,CIGS 光伏組件是由許多寬約57 mm 的條狀電池串接而成。三次切割劃線完成了各子電池的界定、分割和互聯。此三條切割線及其之間的間距均對光電轉換效率沒有貢獻，稱之為死區(qū)。因此這些線寬和間距應盡量小,吸收層制備方法,1.線性源共蒸發(fā) 2.預制層后硒化快速退火,性能參數比較,CIS 與其它太陽電池材料吸收系數的比較,缺陷種類及能級位置,主要的幾種缺陷Vcu、Incu、Vse、CuIn,光電流損失,下實線為偏壓0 V，上實線為偏壓1 V圖5 CIGS 薄膜電池的量子效曲線,輻照強度對光電轉換率的影響,輻照強度下降，導致串聯電阻和并聯電阻上升，使得填充因子下降 短路電流線性下降 使得開路電壓下降,銅含量對電池參數的影響,溫度對電池性能的影響,1載流子 濃度-電阻率 2禁帶寬度 3缺陷態(tài)處于 不同的激發(fā)態(tài),抗輻射性,CIGS電池的穩(wěn)定性,研究進展和方向,1干法緩沖層 2無鎘工藝 3少In、少Ga工藝 4非真空低成本工藝 5疊層四端工藝 6柔性電池 7進一步提高小面積電池的轉換效率,干法緩沖層,CBD法的缺陷 MOCVD、ALCVD等軟沉積方法 CdZnS、ZnSe（2.67ev） 和ZnIn2Se4(2.0ev)、In2S3(3.2ev)、In(OH)xSy 濺射法(化學預處理) (Zn,Mg)O,無Cd工藝,緩沖層材料要求： 1高阻n 型或者本征的，以防止pn 結短路。 2和吸收層間要有良好的晶格匹配，以減少界面缺陷，降低界面復合 3需要較高的帶隙，使緩沖層吸收最少的光 4對于大規(guī)模生產來講，緩沖層和吸收層之間的工藝匹配也是非常重要的,無Cd緩沖層,少In少Ga工藝,鋅黃錫礦(Kesterite)結構的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶體，通過Zn 和Sn 各替代一半黃銅礦結構中的In，電池效率9.6% Cu(In1-xAlx)Se2 材料的制備方法包括蒸發(fā)法和后硒化法。蒸發(fā)法即采用與CIGS 類似的蒸發(fā)工藝，共蒸發(fā)Cu、In、Al 和Se 四種元素形成薄膜。后硒化法即濺射沉積Cu-In-Al 預制層，然后在Se 氣氛下退火。 IEC 制備了具有Mo/Cu(In1-xAlx)Se2/CdS/ZnO/ITO/Ni-Al 電極/MgF2 結構的太陽電池，單結太陽電池的轉換效率達到了16.9%,非真空低成本工藝,涂覆法 涂覆法是將Cu-In-Ga-Se 以一定的比例混合制備成納米顆粒涂料，涂覆在襯底上，烘干后形成電池的吸收層 其中最具代表的是IBM 公司采用的工藝方法和Nanosolar 公司采用的工藝方法，14.5%左右 電沉積法 在酸性溶液中，以襯底為陰極沉積CIGS 薄膜的方法 美國國家再生能源實驗室(NREL)的Bhattacharya 在氯化物溶液體系中一步法沉積CIGS薄膜，得到富銅的CIGS 薄膜，在真空硒氣氛環(huán)境中進行熱處理，并蒸發(fā)少量的In、Ga 調節(jié)CIGS 薄膜成分，使之接近化學計量比，制備的電池效率達到15.4%,疊層四端工藝,Cu(In,Ga)Se2 Ga :0 1 ,Eg:1.04 eV 1.67 eV，非常適合制成雙結太陽電池，CuGaSe2/CuInSe2 雙結太陽電池的AM 1.5 的理論光電轉換效率為33.9%。 主要問題:CuGaSe2 薄膜太陽電池的最高效率是10.2%，理論光電轉換效率為26% 現階段目標：將CuGaSe2頂電池的效率提高到16%,柔性襯底電池,1.NREL 不銹鋼襯底共蒸發(fā)方法 AM1.5 17.5%,在AM 0 光譜條件下，光電轉換效率為15.2%，質量比功率達到1 433