2.4.2碲化鎘太陽能電池解析

2.4多元化合物太陽電池2.4.2Ⅱ一Ⅵ族太陽電池(CdTe)碲化鎘太陽能電池特點碲化鎘太陽能電池結構碲化鎘太陽能電池制作工藝碲化鎘太陽能電池成本估算碲化鎘太陽能電池優(yōu)勢與缺陷高效、穩(wěn)定且相對低成本吸收系數(shù)～105/cmCdTe多晶薄膜制備技術較多，且簡單直接禁帶半導體Ⅱ一Ⅵ族化合物能隙為1．45eVCdTe

superstrate結構是在玻璃襯底上依次長上透明氧化層（TCO）、CdS、CdTe薄膜，而太陽光是由玻璃襯底上方照射進入，先透過TCO層，再進入CdS/CdTe結。而在substrate結構，是先在適當?shù)囊r底上長上CdTe薄膜，再接著長CdS及TCO薄膜。其中以superstrate的效率最高。2.碲化鎘太陽能電池原理——結構透明導電氧化層n型半導體p型半導體降低CdTe與金屬電極接觸勢壘2.碲化鎘太陽能電池原理——結構主要對電池起支架、防止污染和入射太陽光的作用。玻璃襯底TCO層透明導電氧化層。它主要的作用是透光和導電的作用。用于CdTe／CdS薄膜太陽能電池的TCO必須具備下列的特性：在波長400～860nm的可見光的透過率超過85％：低的電阻率，大約2×10^-4Ωcm數(shù)量級；在后續(xù)高溫沉積其它薄膜層時的良好的熱穩(wěn)定性。CdS窗口層n型半導體，與P型CdTe組成p/n結。CdS的吸收邊大約是521nm，幾乎所有的可見光都可以透過。因此CdS薄膜常用于薄膜太陽能電池中的窗口層。CdTe吸收層電池的主體吸光層，它與n型的CdS窗口層形成的p-n結是整個電池最核心的部分。多晶CdTe薄膜具有制備太陽能電池的理想的禁帶寬度(Eg=1．45eV)和高的光吸收率(大約10^4/cm)。CdTe的光譜響應與太陽光譜幾乎相同。背接觸層和背電極降低CdTe和金屬電極的接觸勢壘，引出電流，使金屬電極與CdTe形成歐姆接觸。3.碲化鎘太陽能電池制作工藝工藝流程CdTe吸收層的CdCl2處理幾乎所有沉積技術所得到的CdTe薄膜，都必須再經(jīng)過CdCl2處理。CdCl2處理能夠進一步提高CdTe/CdS異質結太陽電池的轉換效率，原因是：①能夠在CdTe和CdS之間形成界面層，降低界面缺陷態(tài)濃度；②導致CdTe膜的再次結晶化和晶粒的長大，減少晶界缺陷；③熱處理能夠鈍化缺陷、提高吸收層的載流子壽命。將CdTe薄膜置于約400℃的CdCl2環(huán)境之下，CdCl2的存在促進了CdTe的再結晶過程。不僅比較小的晶粒消失了，連帶著CdTe與CdS的界面結構也比較有次序。3.碲化鎘太陽能電池制作工藝——背接觸層CdTe與大多數(shù)的金屬都難以形成歐姆接觸。一種可行的方法是先對CdTe薄膜表面進行化學刻蝕，再沉積高摻雜的背接觸材料。硫化鎘、碲化鎘、復合背接觸層等三層薄膜的沉積和后處理是獲得高效率的技術關鍵3.碲化鎘太陽能電池制作工藝——關鍵技術4.碲化鎘太陽能電池成本估算注：成本計算依據(jù)①電池結構為玻璃/SnO2：F/CdS/CdTe/ZnTe/ZnTe：Cu/Ni②碲化鎘薄膜的厚度為5微米③轉換效率7%，

1MW碲化鎘薄膜太陽能電池所消耗的材料的成本

45.4%38.2%4.碲化鎘太陽能電池成本估算可見，碲化鎘和透明導電玻璃構成材料成本的主體，分別占到消耗材料總成本的45.4%和38.2%。如將碲化鎘薄膜的厚度減薄1微米，則碲化鎘材料的消耗將降低20%，從而使材料總成本降低9.1%，即從每峰瓦6.21元降為5.64元。如使用99.999%純度的碲化鎘，效率依然能達到7%，材料成本還將進一步降低。

5.碲化鎘太陽能電池優(yōu)勢與缺陷

1碲化鎘薄膜太陽能電池在工業(yè)規(guī)模上成本大大優(yōu)于晶體硅和其他材料的太陽能電池技術，生產(chǎn)成本僅為0.87美元/W。2其次它和太陽的光譜最一致，可吸收95%以上的陽光。3工藝相對簡單，標準工藝，低能耗，無污染，生命周期結束后，可回收，強弱光均可發(fā)電，溫度越高表現(xiàn)越好。優(yōu)勢缺點第一，碲原料稀缺，無法保證碲化鎘太陽能電池的不斷增產(chǎn)的需求。第二，鎘作為重金屬是有毒的。碲化鎘太陽能電池在生產(chǎn)和使用過程中的萬一有排放和污染，會影響環(huán)境5.碲化鎘太陽能電池優(yōu)勢與缺陷

前景展望碲化鎘薄膜太陽能電池正日益受到國內(nèi)外的關注。全球最大的碲化鎘太陽能電池制造商——美國FirstSolar公司正加速擴大產(chǎn)能，該公司正在德國建設年產(chǎn)量100MW的工廠，該工廠得到歐盟4000萬歐元的投資。同時，F(xiàn)irstSolar還計劃在美國本土和亞洲分別建設一個100MW的工廠。鑒于碲化鎘薄膜太陽能電池的發(fā)展前景，日本計劃再啟動碲化鎘薄膜太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)技術研究，意大利和德國也在進行類似的工作。國內(nèi)四川大學的碲化鎘薄膜太陽能電池工業(yè)化生產(chǎn)技術研究進展順利，將推動我國碲化鎘薄膜太陽能電池的規(guī)模生產(chǎn)。CdS薄膜與Cu2S/CdS太陽電池

Cu2S／CdS是一種廉價太陽電池，它具有成本低、制備工藝十分簡單的優(yōu)點。在多種襯底上使用直接和間接加熱源的方法沉積多晶CdS薄膜。用噴涂法制備CdS薄膜，其方法主要是將含有S和Cd的化合物水溶液，用噴涂設備噴涂到玻璃或具有SnO2導電膜的玻璃及其它材料的襯底上，經(jīng)熱分解沉積成CdS薄膜。

CdS／CulnSe2太陽電池

Cu1nSe2材料具有到目前為止所有半導體材料中的最高吸收系數(shù)。

由于CulnSe2薄膜材料具備十分優(yōu)異的光伏特性，20年來，出現(xiàn)了多種以Cu1nSe2薄膜材料為基礎的同質結和異質結太陽電池。主要有n-CulnSe2／p-CulnSe2、（InCd）S2／CulnSe2、CdS／CulnSe2、ITO／Cu1nSe：、GaAs／CulnSe2、ZnO／CulnSe2等。其中最為人們重視的是CdS／CulnSe2電池。

2.4.3銅銦硒太陽電池CuInSe2黃銅礦晶格結構直接帶隙半導體，其光吸收系數(shù)高達105量級禁帶寬度在室溫時是1.04eV，通過摻入適量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶體Ga的摻入會改變晶體的晶格常數(shù)，改變了原子之間的作用力,最終實現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變，在1.04一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設計調(diào)整，以達到最高的轉化效率自室溫至810℃保持穩(wěn)定相,使制膜工藝簡單,可操作性強.銅銦鎵二硒系列太陽電池可分為哪兩類？組成這兩類太陽電池的材料有哪些特性？掌握CIS及CIGS太陽電池結構掌握CIS及CIGS太陽電池的制造方法及優(yōu)缺點銅銦鎵二硒系列太陽電池可分為兩類:一種是銅銦硒的三元化合物（CopperIndrumDiselenide，簡稱CIS）一種是含銅銦鎵硒的四元化合物（CopperIndrumGalliumDiselenide，簡稱CIGS）.這兩種材料的吸光范圍非常廣，而且在戶外環(huán)境下的穩(wěn)定性也相當好。高轉換效率及低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ栯姵胤N類之一。在轉換效率方面，若是利用聚光裝置的輔助，目前轉換效率已經(jīng)可以達到30%左右，而在標準環(huán)境測試下最高也已經(jīng)可以達到19.5%的水準，足以媲美單晶硅太陽電池的最佳轉換效率。在大面積制程上，采用軟性塑料基板的最佳轉換效率也已經(jīng)達到14.1%。除了適合用在大面積的地表用途外，Cu(InGa)Se2太陽電池也具有抗輻射損傷的優(yōu)點，而且可以在可撓式的軟性基板上生產(chǎn)，所以也具有應用在太空領域的潛力。CIS及CIGS太陽電池結構采用Cu(InGa)Se2的接合，鉬（Mo）當背景電極接觸。CIGS太陽電池面臨三個主要的挑戰(zhàn)雖然CIGS太陽電池具有高效率及低材料成本的優(yōu)勢，但它也面臨三個主要的挑戰(zhàn)：（1）工藝復雜，投資成本高（2）關鍵原料的供應不足（3）緩沖層CdS具有潛在毒性。材料特性CuInSe2（及CuGaSe2）在室溫下具有與黃銅礦一樣的正方系結構，它的晶格常數(shù)比c/a接近2在810℃以上則呈現(xiàn)立方的閃鋅礦(Sphalerite)結構CuInSe2則可以跟任何比例的CuGaSe2混合，形成CuIn1-xGaxSe2的化合物。CuIn1-xGaxSe2的一個重要特點是它可以容許比較寬的組成變化，而不至于明顯改變其光的特性，所以高效率CIGS太陽電池可以在0.7～1.0的Cu/(In+Ga)比率下制造出來。CuInSe2的對光的吸收系數(shù)相當高（大于105/cm），所以僅1um厚的材料就可吸收99%以上的光子。CuInSe2是直接能隙的半導體材料，它在室溫的能隙值為1.02eV，而對溫度變化的系數(shù)為-2×10-4Ev/K。CuIn1-xGaxSe2的能隙大小可由下式計算出來隨著銦鎵含量的不同，其能隙大小可以從1.02eV變化到1.68eV，此項特性可以被利用在多接面模組上。在電性上，富銅（Cu-rich）的CuInSe2（總是具有p-型特性富銦（In-rich）的CuInSe2薄膜可以是p-型也可以是n-型。如果在高壓的硒環(huán)境下做熱處理，n-型的薄膜可以轉為p-型，如果在低壓的硒環(huán)境下做熱處理，p-型的薄膜則可以轉換為n-型。CIGSSEM照片下圖顯示在玻璃基板上依序長上Mo、CIGS、CdS、ZnO的SEM照片。通常CIGS的晶粒大小與形貌與制造的技術及條件有很大的關系，但一般的大小都在1um附近。可能出現(xiàn)在CIGS薄膜內(nèi)的缺陷包括有差排、疊差、及雙晶等。同步蒸鍍法（Coevaporation）

目前最高效率的CIGS太陽電池是利用同步蒸鍍法制造出來的。它用來制備實驗室規(guī)模的電池和小組件。使用到4個各別元素（Cu、In、Ga、Se）的蒸鍍源，所揮發(fā)出來的元素會淀積在一加熱的基板上，而反應形成CuIn1-xGaxSe2薄膜。每個蒸鍍源的溫度必須各別調(diào)整，以控制元素揮發(fā)出來的數(shù)量，進而控制所淀積出CuIn1-xGaxSe2薄膜的化學計量組成。通常Cu靶的溫度在1300～1400℃之間，In靶的溫度在1000～1100℃之間，Ga靶的溫度在1150～1250℃之間，Se靶的溫度在300～350℃之間。同步蒸鍍法生長CIGS薄膜的主要優(yōu)點及缺點利用同步蒸鍍法生長CIGS薄膜的主要優(yōu)點，在于它可以自由的控制薄膜的組成及能隙大小，所以可以制造出高效率的太陽電池。它的主要缺點，在于操作上的控制比較困難，因為Cu蒸鍍源的揮發(fā)量較不易控制。它的另一個缺點在于缺乏可以大面積商業(yè)化生產(chǎn)的設備。硒化法（Selenization）

硒化法又稱為雙步驟法，它是先將Cu/In/Ga濺鍍在基板上形成所謂的precursor薄膜，再使之在常壓下與氫化硒（H2Se）發(fā)生反應，而產(chǎn)生薄膜。一般與氫化硒的反應溫度約在400～500℃之間，反應時間為30-60分鐘左右。Cu(InGa)Se2薄膜生成的化學反應式可由下式表示：利用硒化法生長CIGS薄膜的主要優(yōu)點與缺點利用硒化法生長CIGS薄膜的主要優(yōu)點，在于它可以結合一些標準而成熟的技術去先淀積出金屬薄膜，再利用高溫反應來縮短反應時間，因此是種具有較低生成成本的制程。它的主要缺點為，控制組成的自由度不高，所以難以變化能隙的大小。此外，它的薄膜黏著性較差，這是必須努力克服的一大課題，而氫化硒有很高的毒性，在操作上必須格外的小心。目前利用硒化法制造出來的CIGS太陽電池的效率已超過16%。CIGS薄膜太陽能電池的結構金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo玻璃襯底低阻AZO高阻ZnO金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極玻璃襯底金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極結構原理減反射膜：增加入射率AZO：低阻，高透，歐姆接觸i-ZnO：高阻，與CdS構成n區(qū)CdS：降低帶隙的不連續(xù)性，緩沖晶格不匹配問題CIGS：吸收區(qū)，弱p型，其空間電荷區(qū)為主要工作區(qū)Mo:CIS的晶格失配較小且熱膨脹系數(shù)與CIS比較接近CIGS薄膜電池的異質結機理CIGS電池的實質：窗口-吸收體結構的異質p-n結太陽能電池光CIGS(弱p)(1.0~1.7eV)CdS(n)(2.4eV)ZnO(n)(3.2eV)N區(qū)內(nèi)建電場光生電流（電壓）背面電極（BackContact）

CIGS太陽電池的背面電極一般是采用金屬鉬（Mo），這是因為Mo可以與CIGS薄膜之間形成良好的歐姆接觸，使得電流的傳遞損耗程度比較小。此外，Mo具有高度的光反射率，使得太陽光可以反復的被主吸收層所吸收。吸收層（AbsorberLayer）p-型的CIGS或CIS薄膜，是做為吸收層的，在吸收層的設計上，要考慮一下幾點：（1）CIGS薄膜的制造，要容易得到單一相，且結晶品質要好。（2）必須可以與金屬層間有良好的歐姆接觸，且容易制造（3）為了能有效的吸收太陽光，CIGS層應有足夠的厚度，但厚度又必須小于載子的擴散長度，使得被激發(fā)的載子可以被收集。CIGS或CIS吸收層的厚度一般在1.5～2.0um左右。（4）CIGS層具有多晶結構，因此晶界處的缺陷要少，以降低載子發(fā)生再結合的幾率。（5）CIGS薄膜表面的平坦性要好，以促進良好的界面狀態(tài)，才不會影響到太陽電池的光電特性。隨著銦鎵含量的不同，CIGS的能隙大小可以從1.02eV變化到1.68eV.制造富銦的薄膜（In-richCIGS），可以改善太陽電池的效率.而在富銅（Cu-rich）的區(qū)域，因為有Cu2-xSe相的析出，而損壞了太陽電池的功能。有人使用NaCN（氰化鈉，有劇毒）或KCN溶液把Cu2-xSe從薄膜的表面或晶界移出，證明可以改良Cu-richCIGS太陽電池的效率。緩沖層（BufferLayer）在CIGS太陽電池中，最常用的緩沖層材料為n-CdS，它的主要目的在形成與p-CIGS之間的pn接合。CdS也是直接能隙的材料，在室溫的能隙大小為2.42eV。CdS與CIGS薄膜之間的晶格匹配非常好，但隨著CIGS薄膜里頭Ga含量的增加，晶格匹配性會降低。透明導電氧化層可以用來當成透明導電氧化層材料有三種，包括有SnO2、In2O3:Sn(簡稱為ITO)、及ZnO。SnO2必須在較高的溫度下淀積產(chǎn)生，這點限制了它應用在CIGS太陽電池上的可能性，這是因為已覆蓋著CdS的CIGS薄膜，無法承受250℃以上的高溫之故。而ITO及ZnO兩者都可被應用在CIGS太陽電池上，其中ZnO最為普遍被采用，這是因為它的材料成本低的原因。在ZnO中添加適當?shù)腁l，也是頗為常見的透明導電氧化層材料。窗口層作為前電極，最常用的材料是硼或鋁摻雜的ZnO。正面金屬電極

在TCO層的上方還有金屬電極，它的形狀通常是網(wǎng)格狀的（grid）。而且金屬電極所占的面積越小越好，這樣才可允許較多的光線可以進入太陽電池內(nèi)。金屬電極的材料通常為Ni及Al，在作法上，是先在TCO層上鍍上數(shù)十納米寬的Ni，以避免形成高電阻的金屬氧化物，接著再鍍上數(shù)微米寬的Al。撓性的基板CIGS或CIS太陽電池使用撓性的基板具有相當高的吸引力，因為它可以制造出重量輕盈的可撓性的CIGS或CIS太陽電池。它的另一個優(yōu)勢是它可以利用roll-to-roll的工藝來生產(chǎn)。所使用的基板材料，可為不銹鋼箔、軟性塑料等。組件生產(chǎn)和商業(yè)化1.整體集成的互連薄膜光伏技術的一個固有優(yōu)點是使用整體集成的可能性，即在一個組件里將單元電池實施串聯(lián)集成。下圖展示出這種電池間連接的方案，它要保證一個電池的背電極Mo層分割開來，并由此確定單元電池的寬度，它是0.5～1cm量級。通常，使用激光刻畫Mo層。第二步刻圖是在吸收層和過渡層沉積之后完成，最后一步刻圖是在窗口層沉積之后完成。由于電池長度確定刻畫的長度可以大于1m。典型的電池間連接寬度是300μm量級。這樣，大約3%～5%的電池面積為了這個連接而犧牲了。淀積與刻畫順序CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點材料吸收率高,吸收系數(shù)高達105量級,直接帶隙,適合薄膜化,電池厚度可做到2~3微米,降低昂貴的材料成本光學帶隙可調(diào).調(diào)制Ga/In比,可使帶隙在1.0~1.7eV間變化,可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配抗輻射能力強.通過電子與質子輻照、溫度交變、振動、加速度沖擊等試驗,光電轉換效率幾乎不變.在空間電源方面有很強的競爭力穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的光致衰退效應電池效率高.小面積可達19.9%,大面積組件可達14.2%弱光特性好.對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.CIGS太陽電池的未來發(fā)展CIGS太陽電池因為具有高轉換效率及低材料制造成本，因此被視為未來最有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ栯姵胤N