CIGS基礎知識

1、歷史CIS由Hahn于1953年發(fā)明。貝爾實驗室70年代早期 開始將其用作太陽能電池80年代波音和ARCO 分別用共蒸和濺射硒化法作進一步研究，將CIS摻鎵成為CIGS目前最高效率19.5%CIGS優(yōu)點1.高效率(19.5%，近于非晶硅)2.穩(wěn)定性(無衰減，耐輻照).低成本(薄膜、連接)4.鈉效應5.短能量償還時間6.適應于很多應用(弱光、空間、柔性基片) 7.很多研究和發(fā)展空間CIGS的結構物理性質物理性質屬性屬性值值單位單位晶格常數(shù)晶格常數(shù)a a5.785.78埃埃c c11.6211.62埃埃密度密度5.755.75水密度水密度熔點熔點986986273K273K熱膨熱膨脹系數(shù)脹系數(shù)a

2、a軸軸8.32e-68.32e-61/K1/Kc c軸軸7.89e-67.89e-61/K1/K273K273K熱導熱導0.0860.086CIGS的性質帶隙：對CIS為1.04eV，CIGS隨鎵含量增多導帶上升，帶隙增加，CGS為1.65eV。帶隙增加也可以用硫代替硒，此時價帶下降電屬性：富銅為p型富銦為n型典型的p型載流子濃度約1016/cm3 遷移率：薄膜高于塊狀單晶高于多晶空穴為15-200cm2/Vs 電子為90-900cm2/Vs 介電常數(shù)：低溫下13.62.4 高溫下8.11.4電子的有效質量為0.09電子質量重空穴為0.71電子質量輕空穴為0.092電子質量CIGS中的缺陷主要

3、有：空位取代原子晶粒間界等銅空位銅空位EV+0.03eVEV+0.03eV淺受主淺受主銦代銅銦代銅EC-0.25eVEC-0.25eV補償施主補償施主硒空位硒空位補償施主補償施主銅代銦銅代銦EV+0.29eVEV+0.29eV復合中心復合中心表面和晶相生長的CIGS一般為柱狀多晶，典型晶體大小1微米，112晶向沿垂直薄膜厚度方向電池組件結構包括：基底、(阻擋層)、背電極、吸收層、(硫化鎘緩沖層)、i-zno緩沖層、n-zno上電極層、(減反射層)工作時大部分吸收層為p型，最上層吸收層和以上各層為n型，帶圖如下基底基底有剛性的玻璃、陶瓷基底和柔性的金屬、塑料基底。一般用普通的鈉鈣玻璃。金屬基底要

4、在金屬上加絕緣阻擋層塑料基底要注意所耐溫度限制硼硅玻璃熱膨脹系數(shù)過低，聚酰亞胺熱膨脹系數(shù)過高，要采用特殊工藝阻擋層要求阻擋層的情況：1.金屬基板為求絕緣2.外加鈉源時準確控制鈉濃度阻擋層的材料：氧化硅、氮化硅沉積方式：射頻濺射背電極背電極一般用鉬，通常為直流濺射沉積，優(yōu)點為穩(wěn)定性、高反射率、低電阻，缺點為形成硒化鉬可能的替代材料為鉭和鈮對雙面電池，用導電氧化物層代替鉬吸收層沉積方法主流沉積方法：三步共蒸和濺射硒化三步共蒸和濺射硒化其他沉積方法：反應濺射反應濺射 化學水浴沉積化學水浴沉積 激光蒸發(fā)激光蒸發(fā) 三步共蒸得到最高效率濺射保證大面積均勻性第一緩沖層硫化鎘緩沖層，優(yōu)點是(111)面和CIG

5、S(112)面匹配，缺點是環(huán)境問題通常制造方法：鎘鹽+鉻合劑+硫脲 化學水浴沉積其他制造方法：真空蒸發(fā)濺射原子層化學氣相沉積電沉積其他制造方法共同缺點：破壞吸收層無鎘緩沖層：歐洲法律規(guī)定所有電器必須無鎘，暫不包括光伏裝備無鎘緩沖層一般為鋅和銦的硫屬元素化物，制造方法和硫化鎘相似主要問題：效率不夠高光照下 產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)第二緩沖層高阻本征氧化鋅層，一般厚度50nm優(yōu)點：增加二極管性能主要沉積方式：射頻濺射透明電極層 上電極要求：n摻雜透明導電氧化物 高透明性、低厚度以降低光學損耗 低電阻、高厚度以降低串聯(lián)電阻損耗 選用材料： 純材料氧化鋅氧化銦氧化錫 組合材料AZOGZOIZOITO 沉積方式直流濺

6、射(大規(guī)模)射頻濺射反應濺射劃線 劃線可為激光、光刻劃線或機械劃線 第一步鉬層較硬，必須激光劃線；第二步以后可用機械劃線 線寬低時可能短路，線寬高時遮光損失大 劃線間距低時遮光損失大，劃線間距高時電阻損失大 一般死區(qū)總寬0.5-1mm，劃線間距5-10mm，光學損失約10%生產(chǎn)線 實際生產(chǎn)分為流水線生產(chǎn)和批處理 流水線生產(chǎn)自動進行，基片在傳送帶上勻速運動，但速度慢的處理過程需要很長的流水線 批處理自動或手動進行，一次進行很多基片的處理，處理速度慢時只要處理量大也能得到低成本 不同的工序可以兩者結合起來生產(chǎn)成本 生產(chǎn)成本分為直接成本和間接成本 直接成本不隨產(chǎn)量變化，主要是材料成本 降低直接成本的

7、方式：提高材料利用率降低次品率 間接成本隨產(chǎn)量增加而降低，主要為設備成本環(huán)境考慮 主要環(huán)境問題：鎘污染、硒和硒源毒性、銦材料缺乏 解決辦法： 廢水除鎘鎘替代 單質硒化 銦回收利用發(fā)展方向 新生產(chǎn)技術：改進沉積裝備更好過程控制 新材料 輕和柔性基片(塑料、金屬)寬隙合金(含硫)無鉬背電極(鉬合金、鉭、鈮)無鎘緩沖層(含鋅、銦)無銦吸收層(含錫) 新的透明電極(高透光高導電性) 新器件結構：無緩沖層雙面電池多層電池 多層電池結構：寬隙在上，窄隙在下 初期低成本：非真空過程效率估計 實驗室組件效率高于工業(yè)生產(chǎn)，因為 1.工業(yè)生產(chǎn)難于實現(xiàn)大面積均勻性 2.實驗室組件不需要劃線連接，沒有相關損失 效率具

8、有高穩(wěn)定性，僅濕熱條件下會退化 最大效率由以下?lián)p失機制描述光生電流影響短路電流光生電流影響短路電流 影響光生電流的因素有 1.覆格或劃線導致的覆格損失 2.前表面反射，可用減反膜 3.透明導電層吸收 4.緩沖層吸收緩沖層中載流子不收集因為緩沖層兩邊性質不反轉所以有高復合幾率可用寬帶隙的緩沖層 5.CIGS不完全吸收CIGS薄于1.0 m時會透過部分長波 6.CIGS光生載流子不完全收集 不同原因電流損失量(mA/cm2) 1 1覆格損失覆格損失1.71.72 2反射損失反射損失3.83.83 3ZnOZnO吸收吸收1.81.84 4CdSCdS吸收吸收0.80.85 5CIGSCIGS不完不完全產(chǎn)生全產(chǎn)生1.91.96 6CIGSCIGS不完不完全收集全收集0.40.4復合損失影響開路電壓復合損失影響開路電壓 復合發(fā)生在各層界面、空間電荷區(qū)和塊吸收層 最主要機制為CIGS空間電荷區(qū)SRH復合，因此需要在制備時減少復合中心 復合中心以深能級缺陷為主，要使用高純材料減少雜質 背表面場結構可減少復合區(qū)大小電阻損失影響填充因子電阻損失影響填充因子 降低電阻損失：使用厚和低阻的導電氧化物材料層，減少劃線間隔加大背電極厚度 一般小面積電池串