能源材料ⅡⅥ族多晶薄膜太陽(yáng)電池材料ppt課件

1、第十三章第十三章 -族多晶薄膜太陽(yáng)電池資料族多晶薄膜太陽(yáng)電池資料一、引言一、引言化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池采用直接由原資料到太化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池采用直接由原資料到太陽(yáng)能電池的工藝道路，開(kāi)展了薄膜太陽(yáng)能技術(shù)。陽(yáng)能電池的工藝道路，開(kāi)展了薄膜太陽(yáng)能技術(shù)。特點(diǎn)：高效率、低本錢(qián)、大規(guī)模消費(fèi)化。特點(diǎn)：高效率、低本錢(qián)、大規(guī)模消費(fèi)化?；衔锇雽?dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池主要類(lèi)型有：化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)能電池主要類(lèi)型有：CdTe系太陽(yáng)能電池、系太陽(yáng)能電池、CuInSe2系列太陽(yáng)能電池、系列太陽(yáng)能電池、CdS/CuInSe2太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 、GaAs系列太陽(yáng)能系列太陽(yáng)能電池、電池、InP系列太陽(yáng)能電池。系列太陽(yáng)能電池

2、。二、資料性質(zhì)二、資料性質(zhì)1、CdTe薄膜資料性質(zhì)薄膜資料性質(zhì)1構(gòu)造性質(zhì)構(gòu)造性質(zhì) CdTe是是-族化合物，是直接帶隙資料，帶隙為族化合物，是直接帶隙資料，帶隙為1.45eV。光譜呼應(yīng)與太陽(yáng)光譜非常吻合。具有閃。光譜呼應(yīng)與太陽(yáng)光譜非常吻合。具有閃鋅礦構(gòu)造。鋅礦構(gòu)造。CdTe太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率在太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率在7.7%16.0%之間，之間，CdTe薄膜太陽(yáng)電池面積已到達(dá)薄膜太陽(yáng)電池面積已到達(dá)6879cm2。 紅：紅：640780nm；橙：橙：640610nm;黃：黃：610530nm；綠：綠：505525nm；藍(lán)：藍(lán)：505470nm；紫：紫：470380nm。2光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)光吸收系數(shù)大，厚度

3、為光吸收系數(shù)大，厚度為1um的薄膜可吸收大于的薄膜可吸收大于CdTe禁帶輻射能量的禁帶輻射能量的99%。CdTe膜越薄，吸收系數(shù)越高，帶邊與膜厚度無(wú)膜越薄，吸收系數(shù)越高，帶邊與膜厚度無(wú)關(guān)；關(guān)；薄膜的吸收系數(shù)與生長(zhǎng)溫度有關(guān)；薄膜的吸收系數(shù)與生長(zhǎng)溫度有關(guān)；堆積速率添加，薄膜吸收系數(shù)變化不大，且一切堆積速率添加，薄膜吸收系數(shù)變化不大，且一切薄膜有一樣的吸收邊。薄膜有一樣的吸收邊。3電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)CdTe晶體主要靠共價(jià)鍵結(jié)合，但有一定的離子性。晶體主要靠共價(jià)鍵結(jié)合，但有一定的離子性。CdTe的結(jié)合強(qiáng)度很大，電子擺脫共價(jià)鍵所需能量更的結(jié)合強(qiáng)度很大，電子擺脫共價(jià)鍵所需能量更高。常溫下高。常溫下CdTe的

4、導(dǎo)電性主要由摻雜決議。的導(dǎo)電性主要由摻雜決議。用用CSS閉管升華法制備閉管升華法制備CdTe薄膜的電性質(zhì)：薄膜的電性質(zhì)：襯底溫度升高，薄膜電阻率降低襯底溫度升高，薄膜電阻率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；薄膜電阻率的最大變化由氧偏壓和源薄膜電阻率的最大變化由氧偏壓和源-襯底間距引起。襯底間距引起。氧偏壓氧偏壓，源，源-襯底間距襯底間距，電阻率，電阻率。2、CdS薄膜資料性質(zhì)薄膜資料性質(zhì)1構(gòu)造性質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)CdS薄膜具有纖鋅礦構(gòu)造，直接帶隙資料，帶隙薄膜具有纖鋅礦構(gòu)造，直接帶隙資料，帶隙寬為寬為2.42eV。CdS層吸收的光譜損失與層吸收的光譜損失與CdS薄薄膜的厚度和薄膜構(gòu)成的方式有關(guān)。膜的厚度和薄膜

5、構(gòu)成的方式有關(guān)。2光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) CdS薄膜廣泛用于太陽(yáng)電池窗口層，并作為薄膜廣泛用于太陽(yáng)電池窗口層，并作為n型型層與層與p型資料構(gòu)成型資料構(gòu)成pn結(jié)結(jié) ，對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率有很，對(duì)電池轉(zhuǎn)換效率有很大影響。大影響。 窗口層對(duì)光激發(fā)載流子是死層。緣由是：窗口層對(duì)光激發(fā)載流子是死層。緣由是：1CdS層高度摻雜，耗盡區(qū)只是層高度摻雜，耗盡區(qū)只是CdS厚厚度的一小部分；度的一小部分；2由于由于CdS層內(nèi)缺陷密度較高，使空穴層內(nèi)缺陷密度較高，使空穴分散長(zhǎng)度非常短，假設(shè)耗盡區(qū)沒(méi)有電場(chǎng)，分散長(zhǎng)度非常短，假設(shè)耗盡區(qū)沒(méi)有電場(chǎng)，載流子搜集無(wú)效。載流子搜集無(wú)效。 3電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)本征本征CdS薄膜的串聯(lián)電阻很高，不

6、利于做窗薄膜的串聯(lián)電阻很高，不利于做窗口層?？趯印Ｌ岣唠妼?dǎo)率的方法：提高電導(dǎo)率的方法：襯底溫度在襯底溫度在300350之間，將之間，將In分散入分散入CdS中，把本征中，把本征CdS變成變成n-CdS，電導(dǎo)率可，電導(dǎo)率可提高；提高；對(duì)對(duì)CdS熱處置也能使電導(dǎo)率添加。熱處置也能使電導(dǎo)率添加。3、CuInSe2薄膜資料性質(zhì) 1構(gòu)造性質(zhì)CuInSe2是一種三元-族化合物半導(dǎo)體，具有黃銅礦低溫相，正方晶系和閃鋅礦高溫相、閃鋅礦構(gòu)造兩個(gè)同素異形的晶體構(gòu)造。CuInSe2是直接帶隙半導(dǎo)體資料，77K時(shí)的帶隙為1.04eV，300K時(shí)為1.02eV。1.04eV的禁帶帶隙與地面光伏利用要求的最正確帶隙1.5

7、eV較為接近，但劣于CuInS2(Eg=1.55eV)。 2) 光學(xué)性質(zhì) CuInSe2具有6105cm-1的吸收系數(shù)，是半導(dǎo)體資料中吸收系數(shù)較大的資料。 CuInSe2的光學(xué)性質(zhì)主要取決于資料各元素的組分比、各組分的均勻性、結(jié)晶程度、晶格構(gòu)造及晶界的影響。資料元素的組分與化學(xué)計(jì)量比偏離越小，結(jié)晶程度越好，元素組分均勻性好，溫度越低，光學(xué)吸收特性越好； l具有單一黃銅礦構(gòu)造的具有單一黃銅礦構(gòu)造的CuInSe2CuInSe2薄膜的吸收特性好薄膜的吸收特性好 ；l 富富CuCu薄膜比富薄膜比富InIn薄膜的吸收特性好，緣由是前者比后者薄膜的吸收特性好，緣由是前者比后者的結(jié)晶程度好；的結(jié)晶程度好；l

8、堆積襯底溫度高的富堆積襯底溫度高的富CuCu薄膜比堆積襯底溫度低的薄膜的薄膜比堆積襯底溫度低的薄膜的吸收特性要好吸收特性要好 ；l 室溫下，單晶室溫下，單晶CuInSe2CuInSe2的光學(xué)吸收系數(shù)比多晶薄膜的大；的光學(xué)吸收系數(shù)比多晶薄膜的大；l 吸收特性隨資料任務(wù)溫度的下降而下降，帶隙隨溫度的吸收特性隨資料任務(wù)溫度的下降而下降，帶隙隨溫度的下降而稍有升高。下降而稍有升高。 3電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) CuInSe2資料的電學(xué)性質(zhì)主要取決于資料資料的電學(xué)性質(zhì)主要取決于資料各元素組分比、偏離化學(xué)計(jì)量比而引起各元素組分比、偏離化學(xué)計(jì)量比而引起的固有缺陷、非本征摻雜和晶界有關(guān)。的固有缺陷、非本征摻雜和晶界有

9、關(guān)。資料各元素組分比接近化學(xué)計(jì)量比時(shí)：當(dāng)資料各元素組分比接近化學(xué)計(jì)量比時(shí)：當(dāng)Se缺乏時(shí)，缺乏時(shí)，Se空位呈現(xiàn)施主；當(dāng)空位呈現(xiàn)施主；當(dāng)Se過(guò)量過(guò)量時(shí)，呈現(xiàn)受主；當(dāng)時(shí)，呈現(xiàn)受主；當(dāng)Cu缺乏時(shí)，缺乏時(shí)，Cu空位呈空位呈現(xiàn)受主；當(dāng)現(xiàn)受主；當(dāng)Cu過(guò)量時(shí)，呈現(xiàn)施主；當(dāng)過(guò)量時(shí)，呈現(xiàn)施主；當(dāng)In缺乏時(shí)，缺乏時(shí)，In空位呈現(xiàn)受主；當(dāng)空位呈現(xiàn)受主；當(dāng)In過(guò)量時(shí)，過(guò)量時(shí)，呈現(xiàn)施主。呈現(xiàn)施主。v 當(dāng)薄膜的組分比偏離化學(xué)計(jì)量比較大時(shí)，當(dāng)薄膜的組分比偏離化學(xué)計(jì)量比較大時(shí)，薄膜的導(dǎo)電性主要由薄膜的導(dǎo)電性主要由Cu與與In之比決議，之比決議，普通是隨著普通是隨著Cu/In比的添加，電阻率下降，比的添加，電阻率下降，p型導(dǎo)電性

10、加強(qiáng)。型導(dǎo)電性加強(qiáng)。 p型導(dǎo)電性隨著型導(dǎo)電性隨著Se濃度濃度的添加而添加。的添加而添加。 實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明，CuInSe2薄膜的導(dǎo)電性與薄膜的組分薄膜的導(dǎo)電性與薄膜的組分有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：1當(dāng)當(dāng)Cu/In1時(shí)，不論時(shí)，不論Se/(Cu+In)之比大于還之比大于還是小于是小于1，薄膜的導(dǎo)電類(lèi)型都為，薄膜的導(dǎo)電類(lèi)型都為p型，而且具有型，而且具有低的電阻率。低的電阻率。2當(dāng)當(dāng)Cu/In1，薄膜為，薄膜為p型，具有中等的電阻率；或薄膜為型，具有中等的電阻率；或薄膜為n型，具有型，具有高的電阻率。假設(shè)高的電阻率。假設(shè)Se/(Cu+In)1，薄膜為，薄膜為p型，型，具有高的電阻率，或薄膜為具有高的

11、電阻率，或薄膜為n型，具有低的電型，具有低的電阻率。阻率。三、太陽(yáng)電池的構(gòu)造及任務(wù)原理三、太陽(yáng)電池的構(gòu)造及任務(wù)原理1、CdTe/CdS太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池以以CdTe作吸收層、作吸收層、CdS作窗口層的作窗口層的n-CdS/p-CdTe半半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型構(gòu)造為：減反射膜導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電池的典型構(gòu)造為：減反射膜MgF2/玻璃玻璃/SnO2,F/CdS/p-CdTe/背電極。背電極。CdTe光伏技術(shù)的缺陷：資料中含元素光伏技術(shù)的缺陷：資料中含元素Cd，而，而Cd和和Cd的化合物均有毒性。的化合物均有毒性。CdTe/CdS太陽(yáng)能電池的任務(wù)原理：太陽(yáng)能電池的任務(wù)原理：CdTe和和CdS能構(gòu)成電性能優(yōu)良的

12、異質(zhì)結(jié)。能構(gòu)成電性能優(yōu)良的異質(zhì)結(jié)。Te分散分散入入CdS層中構(gòu)成具有鉛鋅礦構(gòu)造的層中構(gòu)成具有鉛鋅礦構(gòu)造的CdS1-y(Tey)，帶隙小于帶隙小于CdS，Te分散進(jìn)窗口層提高了器件的短分散進(jìn)窗口層提高了器件的短路電流。路電流。S分散入分散入CdTe內(nèi)構(gòu)成具有纖鋅礦構(gòu)造的內(nèi)構(gòu)成具有纖鋅礦構(gòu)造的合金合金CdTe1-xSx，帶隙小于，帶隙小于CdTe。窄帶隙使開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。窄帶隙使開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。2、CuInSe2(簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)CIS太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池CIS的構(gòu)造為：光的構(gòu)造為：光/金屬柵狀電極金屬柵狀電極/減反射膜減反射膜/窗口窗口層層ZnO/過(guò)渡層過(guò)渡層CdS/光吸收層光吸收層

13、CIS/金屬背電極金屬背電極Mo/襯底玻璃。襯底玻璃。1n-CdS低阻低阻/p-CuInSe2高阻太陽(yáng)電池高阻太陽(yáng)電池特點(diǎn)：具有較高的短路電流、中等的開(kāi)路電壓。特點(diǎn)：具有較高的短路電流、中等的開(kāi)路電壓。問(wèn)題：為提高性能而降低電池的串聯(lián)電阻有困難；問(wèn)題：為提高性能而降低電池的串聯(lián)電阻有困難；在在CuInSe2上生長(zhǎng)低阻的上生長(zhǎng)低阻的CdS困難。困難。 2pin型型CdS/CuInSe2太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池 i層由高阻的層由高阻的n型型CdS和高阻的和高阻的p型型CuInSe2組成，防止了組成，防止了Cu結(jié)核的構(gòu)成。結(jié)核的構(gòu)成。n層由低阻的層由低阻的n型型CdS構(gòu)成，具有較低的體構(gòu)成，具有較低的體電阻

14、，與上電極的接觸電阻也較小。電阻，與上電極的接觸電阻也較小。p層由低阻的層由低阻的p型型CuInSe2組成，有較低的組成，有較低的體電阻和背接觸電阻，和高電阻體電阻和背接觸電阻，和高電阻p型層構(gòu)型層構(gòu)成背場(chǎng)，有利于開(kāi)路電壓的提高。成背場(chǎng)，有利于開(kāi)路電壓的提高。3ZnCdS/CuInSe2太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池以以ZnxCd1-xS替代替代CdS制成制成ZnxCd1-xS/CuInSe2太陽(yáng)電池太陽(yáng)電池x在在0.10.3之間。之間。ZnS的摻入提高的摻入提高了開(kāi)路電壓，提高了窗口資料的能隙，改善了了開(kāi)路電壓，提高了窗口資料的能隙，改善了晶格匹配，提高了短路電流。晶格匹配，提高了短路電流。四、薄膜資料及

15、太陽(yáng)電池的制備工藝四、薄膜資料及太陽(yáng)電池的制備工藝1、CdS/CdTe太陽(yáng)電池的制備方法太陽(yáng)電池的制備方法主要是主要是CSS法。法。優(yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)資料損失少，結(jié)晶方向好，光伏特性?xún)?yōu)點(diǎn)：蒸發(fā)資料損失少，結(jié)晶方向好，光伏特性?xún)?yōu)良。優(yōu)良。2、CdS/CdTe太陽(yáng)電池制備中的主要影響要素太陽(yáng)電池制備中的主要影響要素1CdCl2處置處置處置處置CdTe層層目的：改善電池的性能，提高器件的輸出特性和目的：改善電池的性能，提高器件的輸出特性和均勻性。均勻性。處置過(guò)程：處置過(guò)程：1在含有在含有CdCl2的乙醇溶液中，將的乙醇溶液中，將CdTe/CdS外外表鍍上表鍍上CdCl2，經(jīng)過(guò)激光燒蝕或真空蒸發(fā)，或在，經(jīng)過(guò)激

16、光燒蝕或真空蒸發(fā)，或在CdCl2氣體中完成熱處置；氣體中完成熱處置；2在大氣壓下的空氣或氧氣中，于在大氣壓下的空氣或氧氣中，于400下將有下將有鍍層的鍍層的CdTe/CdS退火，時(shí)間為退火，時(shí)間為10min30min；3用水洗或細(xì)微腐蝕，將殘留用水洗或細(xì)微腐蝕，將殘留CdCl2去除。去除。處置結(jié)果：添加了處置結(jié)果：添加了CdTe的原子遷移率，促進(jìn)的原子遷移率，促進(jìn)CdTe和和CdS膜的晶粒生長(zhǎng)，并且使晶界鈍化。膜的晶粒生長(zhǎng)，并且使晶界鈍化。CdS和和CdTe晶粒構(gòu)造之間沒(méi)有更多的關(guān)聯(lián)。晶粒構(gòu)造之間沒(méi)有更多的關(guān)聯(lián)。 用用CdCl2對(duì)對(duì)CdTe薄膜進(jìn)展熱處置，有以下作用：薄膜進(jìn)展熱處置，有以下作用

17、：1阻止阻止Te元素氧化；元素氧化；2退火后，退火后，CdTe/CdS器件成分分布更均勻；器件成分分布更均勻；3CdTe退火時(shí)退火時(shí)CdCl2充任溶劑，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)。充任溶劑，促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)。2背接觸背接觸 構(gòu)成背接觸電極的程序?yàn)椋簶?gòu)成背接觸電極的程序?yàn)椋?腐蝕或外表制備；腐蝕或外表制備；2運(yùn)用含運(yùn)用含Cu、Hg、Pb或或Au的膜；的膜；3延續(xù)在大于延續(xù)在大于150中熱處置。中熱處置。背接觸電極的最正確制造工藝：背接觸電極的最正確制造工藝：1腐蝕產(chǎn)生一富腐蝕產(chǎn)生一富Te外表，構(gòu)成高摻雜或簡(jiǎn)并外表，構(gòu)成高摻雜或簡(jiǎn)并p+內(nèi)外表層；內(nèi)外表層；2p型摻雜劑進(jìn)入接觸電極資料；型摻雜劑進(jìn)入接觸電極資料；3熱

18、處置加速接觸電極資料的反響和分散。熱處置加速接觸電極資料的反響和分散。3、CdS/CuInSe2太陽(yáng)電池制備中的主要影響要素太陽(yáng)電池制備中的主要影響要素 1襯底溫度對(duì)薄膜構(gòu)造的影響襯底溫度對(duì)薄膜構(gòu)造的影響 襯底溫度太低，薄膜的結(jié)晶程度變差，晶粒變小，襯底溫度太低，薄膜的結(jié)晶程度變差，晶粒變小，不易生長(zhǎng)單一黃銅礦構(gòu)造的薄膜。但較易獲得接不易生長(zhǎng)單一黃銅礦構(gòu)造的薄膜。但較易獲得接近化學(xué)計(jì)量比的薄膜。近化學(xué)計(jì)量比的薄膜。 襯底溫度太高，由于襯底溫度太高，由于Se及及In2Se、In2Se3等成分易等成分易蒸發(fā)，薄膜中蒸發(fā)，薄膜中Se含量缺乏，含量缺乏，Cu/In比增高，組分比增高，組分大大偏離化學(xué)計(jì)量比，不具有單一黃銅礦構(gòu)造，大大偏離化學(xué)計(jì)量比，不具有單一黃銅礦構(gòu)造，有有Cu2Se和和Cu2-xSe相出現(xiàn)。相出現(xiàn)。2熱處置對(duì)薄膜光學(xué)和電學(xué)特性的影響熱處置對(duì)薄膜光學(xué)和電學(xué)特性的影響適當(dāng)?shù)臒崽幹每筛纳票∧さ慕Y(jié)晶度和組分的均適當(dāng)?shù)臒崽幹每筛纳票∧さ慕Y(jié)晶度和組分的均勻性，減少膜中的缺陷。勻性，減少膜中的缺陷。不同氣氛條件對(duì)熱處置的影響：不同氣氛條件對(duì)熱處置的影響：在惰性氣體中，可使薄膜中在惰性氣體中，可使薄膜中p型導(dǎo)電性能下降，型導(dǎo)電性能下降，電阻率升高。因有少量電阻率升高。因有少