薄膜太阳能电池1

CIGS和CZTS薄膜太阳能电池及其制备方法汇报人：张德龙学号：16722137PPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：论坛：薄膜太阳能电池简介太阳能电池分类及发展•一般而言，薄膜太阳能电池主要包括硅基薄膜电池（分为非晶硅、微晶硅和多晶硅薄膜电池三种）、碲化镉（CdTe）薄膜电池、砷化镓（GaAs）薄膜电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池。•薄膜太阳能电池中硅基薄膜电池、碲化镉（CdTe）薄膜电池、砷化镓（GsAs）薄膜电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池属于第二代太阳能电池，起步较早，且技术已经达到较高的成熟度，不仅在实验室取得丰硕的研究成果，而且已投入使用并占一定的市场份额。CIGS太阳能电池结构示意图铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池包括铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）、铜铟镓硒硫（CIGSS）系列。由6层薄膜构成，从下到上依次是：0.5-1.5μm厚的金属钼(Mo)背电极层，1.5-2μm的CIGS吸收层，50nm的硫化锌(ZnS)缓冲层，50nm的本征氧化锌(ZnO)层，0.5-1.5μm的ZnO:Al(TCO)透明电极0.1μm的氟化镁(MgF2)薄膜减反层。吸收层CIGS（CuInGaSe2）是薄膜电池的核心吸光材料，属于正方晶系黄铜矿结构，为p型半导体，光生载流子主要在这里生成。通过掺杂适量Ga到CuInSe，以Ga代替部分同族In的位置，如果调整Ga的成分比例，即可形成梯度带隙半导体（而CIS为直接带隙半导体），产生背表面场，则获得更多的输出电流，从而大大提高其性能。ZnS为n型半导体，与CIGS形成p-n结构。CIGS黄铜矿和ZnS闪锌矿的结构CIGS薄膜太阳能电池的基本工作原理•以CIGS薄膜作为P型区，以ZnS、i-ZnO、TCO薄膜共同构成n型区。•形成的机理主要是P区和n区多子的相互扩散，最终达到动态平衡形成内建场。E是内建场，使得产生的空穴-电子对分离的动力。•内建场使得P型区的费米能级上移，n型区的费米能级下移，形成p-n结统一的准费米能级。当能量大于CIGS薄膜禁带宽度的光子注入到其中时，将被吸收并激发出空穴-电子对。电子被分离至n型区，空穴被分离至P型区，形成光电流。CIGSe薄膜太阳能电池的主要工作原理(a)p-n结的形成示意图；(b)p-n结的能带示意图PPT模板下载：行业PPT模板：节日PPT模板：素材下载：背景图片：图表下载：优秀PPT下载：教程：教程：教程：资料下载：课件下载：范文下载：试卷下载：教案下载：论坛：具有较强抗辐射能力硏究发现，在1MeV电子辐照下，CIGS性能并没有任何衰减趋势1光吸收能力强。通过调节Ga的含量，可使CIGS的禁带宽度在1.04-1.67eV内调整，以得到所要的吸收层材料2转换效率高德国Manz集团与ZSW合作制造的实验室转换效率21.7%的电池最近日本企业制备了转换效率为22.3%的电池3稳定性好，使用寿命长日本ShowaShell公司对11kw的CIGS电池方阵进行了户外测试，测试时间共持续3年4CISG薄膜太阳能电池具有以下几个优点：在薄膜太阳能电池中，铜铟镓硒作为吸收层的薄膜太阳电池有近似最佳的光学能隙，此外成本低、性能稳定、轻柔便携、弱光效应好、适用性强，可设计成任意尺寸和功率，适用于消费品市场、小型户dian'ch用屋顶组件、大型商用屋顶轻质组件、太阳能电站组件等领域。CIGS电池的发展历程CIGS薄膜制备技术的研发热点•在CIGS太阳能电池技术发展过程中，需要科研工作者进一步解决的主要问题包括以下三个方面：（1）提高光电转换效率（2）降低电池成本（3）无毒无污染工艺开发CIGS薄膜太阳能电池产业发展•世界CIGS薄膜太阳能电池产业发展经历了三个阶段。•第一阶段（2000-2003年），德国的WurthSolar和日本的ShowaShell、HondaSoltec等企业首先实现了玻璃基板衬底CIGS薄膜太阳能电池的产业化，并且逐渐向大尺寸方向发展；•第二阶段（2004-2007年），柔型衬底研发阶段，以美国的GlobalSolarEnergy、Miasole等企业为代表；•第三阶段（2008年-至今），基于金属/聚合物衬底的roll-to-roll工艺研究，以美国Nanosolar、ISET公司和中国台湾工业技术研究院为代表•在国内，汉能集团薄膜太阳能产能已达到3GW，超过美国第一太阳能，成为世界上规模最大的薄膜太阳能企业。且收购了Solibro等国外薄膜太阳能公司。•在自主创新方面，虽然CIGS的实验室转换效率已超过20%，但很大规模的商业量产和明显的技术优势尚未出现，使国内企业通过走自主创新路线掌握核心技术的构想成为可能。CIGS薄膜太阳能电池的制备•各种CIGS薄膜太阳能电池的制备方法不同之处主要在于吸收层CIGS薄膜的制备过程，而除此之外的其余各层主流制备方法大同小异。一般将CIGS薄膜的制备方法分为真空法和非真空法两大体系。•制备技术包括：多元共蒸发法、溅射硒化法、电沉积法、丝网印刷法、微粒沉积法、分子束外延法等等。•目前已经用于生产并且制备出高效率电池的方法是真空法，其中主要是蒸发法和溅射硒化法。•真空法制备所得的CIGS薄膜质量以及其电池效率基本都优于非真空法，因此是实验室研究中得到高效率电池的主要手段。但是相比非真空法而言，真空法工艺所需要的设备初始投入成本很高，因此非真空法被视为降低CIGS太阳能电池制造成本的有效途径之一。铜铟镓硒太阳能电池制备的主要设备及测试设备：•磁控溅射设备：制备Mo电极，CuInGa合金预制层，本征i-ZnO和掺杂Al-ZnO（ITO）透明导电层，上电极AL。•硒化装置：对CuInGa合金预制层进行硒化，形成N型吸收层。•水浴反应槽：制备过渡层CdS或ZnS•测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD，RAMAN，分度光透射仪，I-V分析系统等。•多元共蒸发法是利用被蒸发物在高温时的真空蒸发来进行薄膜沉积的，是典型的物理气相沉积工艺（PVD），在真空环境中采用单质铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)四种蒸发源，利用电阻丝加热方式将置于坩埚中分别被单独加热进行蒸发，各元素沉积于衬底上并在高温下化合反应生成CIGS薄膜。•此方法可以精确地控制每种元素在反应过程中的供应量，进而实现对薄膜化学元素的调控，因此制备的电池效率最高。为了大面积电池的制备和原料利用率的提高，需要开发线型蒸发器取代实验室中使用的点源坩埚。这也成为蒸发法实现规模化生产的关键所在。•溅射硒化法首先利用磁控溅射方法制备出CuInGa的金属预置层，然后在硒蒸气中对预制层进行硒化处理，从而得到满足化学计量比的薄膜。•溅射工艺易于精确控制薄膜中各元素的化学计量比，膜的厚度和成分分布均匀，且对设备要求不高，目前已经成为产业化的首选工艺。•磁控溅射镀膜技术在产业界非常成熟，适合高产率、大面积衬底的模式。但硒化的工艺需要开发稳定可靠的退火装置，目前只有少数公司掌握相关的产业化技术。另外，由于硒化过程难于调控和监测，在相关的反应机理方面还有待进一步的研究。•电沉积法是指利用电位差使得含有Cu、In、Ga、Se元素的电解液发生氧化还原反应，并在电极上析出形成CIGS薄膜。•电解液通常由CuCl，InCl3，GaCl3，亚硝酸和络合剂构成。一般采用三电极法，Mo薄膜底电极作为工作电极，铀作为对电极，饱和甘汞作为参比电极。根据沉积步骤的不同，可分为一步共沉积法和多步连续沉积法。沉积所得的CIGS薄膜还需经过退火以提高结晶质量。•由于Cu、In、Ga离子的电位差较大，很难得到符合化学计量比的CIGS薄膜，但工艺相对简单，成本较低，且方法本身有提纯原料的效果，因此被视为可能成为工业化生产的途径之一。•喷涂高温分解法是把反应物以气雾的形式喷射到高温衬底上，反应物分解合成CIGS薄膜。•反应物溶液由饱和的CuCl，InCl3，GaCl3和有机物混合构成。在镀膜过程中，不同的溶液配比、喷射速度、衬底温度等因素都对CIGS薄膜质量有直接影响，其中衬底温度的影响作用最大。•通过控制工艺参数，可以抑制各种二次相的生成，并制备出具有良好结构和电学性能的CIGS薄膜。该工艺的不足之处是制备的薄膜不太致密，存在针孔，这将增大器件的串联电阻，降低其填充因子。•除了用Zn(O,S,OH)代替CdS作为缓冲层之外，这次制备的太阳能电池的完整结构与之前该作者的报道相似。•RuiKamada等将Mo背接触溅射到具有碱控制层的钠钙玻璃上，再用H2Se气体将前体层硒化，随后在炉中用H2S气体硫化以形成p型CIGS吸收层。然后通过化学浴沉积将Zn(O,S,OH)缓冲层沉积到吸收层上。最后，通过电子束蒸发沉积Al接触电极和MgF2抗反射层。•YongCui等使用CuCl，InCl3，Ga（NO3）3，硫粉以及一些有机物等原料，先合成铜铟镓硫纳米晶体，再将制得的铜铟镓硫分子前体溶液与前者制备的纳米油墨混合制得CIGS薄膜。然后将CIGS膜和硒粉在氮气下进行硒化工艺，在540℃的炉中热处理30分钟。通过化学浴沉积将约50nm厚的CdS薄膜沉积在CIGSSe薄膜上。溅射50nm的本征ZnO和250nm氧化铟锡，还有热蒸发2μm铝栅电极，最终制备出CIGSSe电池。•通过这种方式制造的单p-n结的CIGSSe薄膜太阳能电池显示10.19%的功率转换效率。总结•化合物半导体太阳电池如砷化镓(GaAs)、铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)等薄膜太阳电池，虽然已经投入到产业使用，具备一定规模，但基于成本和环保等因素的考虑，都或多或少有一些局限，阻碍这些电池的进一步发展。•Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4铜锌锡硫材料具有与CIGS材料相似的光学性质和半导体性质，且原料丰富，已被认为是是CIGS重要的替代材料。•近年来，CZTS薄膜太阳电池以其较低的成本、良好的光电特性、环境友好等特点而受到人们的广泛关注，逐渐成为薄膜太阳电池领域的研究热点。CZTS薄膜太阳能电池简介通常CZTS薄膜太阳电池是在钼衬底或镀钼的钠钙玻璃衬底上制备ｐ型CZTS和ｎ型CdS薄膜构成的异质