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第四章III-V族化合物太阳能电池和铜铟镓硒太阳能电池4.1GaAs太阳能电池材料及太阳电池的特点4.2CdTe薄膜材料和太阳电池4.3CIGS薄膜太阳电池的结构和性能(1)主要的光吸收层其能隙值在1.5eV附近；(2)p-n结面的安排，最好以n-type层迎着照光的方向；(3)薄膜太阳电池因材料的光吸收系数高故常利用异质结的设计，让迎光的n-type层选用具较大能隙的材料；(4)各层的厚度搭配与各层的电性如能隙、载子扩散长度等有密切关系，必须予以适当的设计。获得较高的能量转换效率太阳能电池组件的条件：4.2CdTe薄膜材料和太阳电池半导体同质结太阳电池能量转换效率理论计算值对能隙的关系从对II-VI族材料性质的了解以及上述太阳电池组件结构的需求，CdTe的能隙以及具p-type的导电特性即成为其被用为主要光吸收层的最佳选择，至于透光层则可以搭配n-type的CdS或ZnSe甚至掺加第三个II或VI族元素如(Zn,Cd)S或Zn(Se,S)以调整适当的能隙做最佳化设计。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介CdTe－II-VI族化合物，Eg＝1.5eV,理论效率28%，性能稳定，一直被光伏界看重。工艺和技术－近空间升华(CSS),电沉积，溅射、真空蒸发，丝网印刷等；实验室电池效率16.4%；商业化电池效率平均8～10％；CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场份额为0.3％。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。◆内蒙古大学－蒸发技术◆北太所－电沉积技术，1983年效率5.8%。◆90年代后期四川大学－近空间升华，“十五”期间，列入国家“863”重点项目，并要求建立0.5兆瓦/年的中试生产线。电池效率达到13.38％。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介CdTe属于II-IV族化合物半导体,具有直接带隙结构,能隙宽度1.45eV.CdTe具有较高的吸收系数，2um薄膜可以吸收99%太阳光。CdTe薄膜制造技术成熟，容易实现模组化。CdTe太阳能电池已经应用到屋顶技术，前景看好。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe性质II-VI族化合物中最高的平均原子数，最低的熔点，最大的晶格常数和最大的离子性。CdTe具有闪锌矿（ZnS）结构，键长0.2806nm,晶格常数0.6481nm,密度5.3g/cm3,熔点1365K。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介能隙宽度1.45eV，随温度变化为-1.7meV/K;CdTe二元相图如下，熔点1365K。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介半导体材料光吸收系数4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池简介4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池物理气相沉积法（physicalvapordeposition,PVD)密闭空间升华法（Close-spacesublimation,CSS)气相传输沉积法（Vaportransportdeposition,VTD)溅射电解沉积法（Electron-deposition)喷涂沉积法（Spraydeposition)有机金属化学气相沉积法（MOCVD）丝网印刷沉积法（Screen-printdeposition)4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术以物理机制来进行的技术。比如:蒸镀，蒸镀源由固态转化为气态而沉积。真空要求：高真空，10-6托蒸镀源:CdTe,CdS,或其他物质（Cd+Te2，Cd+S）。蒸镀温度：使蒸镀源蒸发的温度，约800度。CdTe薄膜技术——PVD4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——PVD沉积速率：与基板温度有关，较高温度，粘附系数低，沉积速率慢，温度较低，速率提高，但薄膜晶粒较小，故一般基板温度100-400度。沉积速率：1微米/分钟由于各元素平衡蒸汽压和蒸镀源配比差异，薄膜层元素配比比较难以控制。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——CSS密闭空间升华法是生产高效率CdTe的主要方法蒸镀源与基板距离较小，温度差较小，面积相同薄膜配比与蒸镀源相似基板温度450-600度，沉积速率1微米/分钟4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——VTD气相传输沉积法利用CdTe受热挥发，在输运气体作用下运动到基体表面，过饱和的Cd/Te蒸汽会凝结而沉积形成CdTe薄膜。输运气体：N2，Ar,O2，He等薄膜晶粒大，约为薄膜厚度沉积速率快。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——SputteringDeposition溅镀法等离子体中高能离子（电场加速），在磁铁的磁力线作用下，加速撞击CdTeb靶材，靶材溅射出来并沉积在基板上。等离子体产生方法:DC,MW,RF炉内压力：10mtorr基板温度：300度4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——ElectroDeposition电沉积法：Cd2+及HTeO2+电解质电化学反应，得到Cd及Te沉积而成CdTe薄膜HTeO+2+3H++4e-Te+2H2OCd2++2e-CdCd+TeCdTe控制电解质Cd,Te含量可控制薄膜成分比例4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——SprayDeposition室温下，将含有CdTe,CdCl2及丙二醇（CH3——CHOH——CH2OH）化学涂料喷在基板上，经过高温热处理及致密化过程，得到多孔结构CdTe薄膜4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——MOCVO低压下，含有Cd,Te有机金属在反应炉中反映，并沉积在基板上形成CdTe薄膜有机金属：二甲基镉（Cd（CH3）2），二异丙基镉沉积速率与反应炉温度有关。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdTe薄膜技术——Screen-printdeposition制备CdTe最简单的方法将含有Cd,Te,CdCl2及有机结合剂的金属膏，通过印刷版而印在基板上，干燥去除有机溶剂，再700度烧结，最后得到10-20微米再结晶CdTe薄膜4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术CdCl2处理改善晶粒大小、改善结晶结构，提高太阳电池转化效率改善CdTe和CdS接面性能:CdTe和CdS扩散，接面形成CdTe1-xSx合金模，导致CdS能隙降低，光穿透性降低。上述所有薄膜技术都必须CdCl2处理。CdTe薄膜处在400度CdCl2环境下，4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe薄膜制备技术4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池结构——玻璃基板耐高温（600度），转化效率16%,不耐高温钠玻璃，12%;厚度2-4mm保护CdTe电池：免受外部环境侵蚀，提供电池机械支撑通常玻璃表面镀抗反射膜增强光吸收4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池结构——TCO作用:正面电极接触材料:SnO2,In2O3:Sn,Cd2SnO44.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池结构——n-CdSCdS能隙宽度2.4eV,吸收515nm光，故称为窗口层厚度：0.5微米降低CdS光吸收途径:CdCl2处理，CdS+ZnS混合增加能隙多晶结构导致顺向电流、局部并联分流在TCO与CdS间增加高电阻透明氧化层高电阻材料：SnO2,In2O3,Ga2O3,Zn2SnO44.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池结构——p-CdTe能隙宽度1.45eV高光吸收性能，吸收层CdTe杂质浓度低于CdS,p-n结在CdTe内厚度2-8微米4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe太阳能电池片的分析4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构FirstSolar(US)Calyxo(Germany)AboundSolar(US)Epir/Sunovia(US)CdTePV公司4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe太阳能电池效率最高:18%生产的:9-11%FirstSolar期望在2012年能达到12％4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构Structure-CdTe的SEM/EDS分析4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构Strcuture-CdTe的TEM分析CdTe薄膜太阳能电池的TEM明场像。CdTe和阻挡层里的晶界和内部缺陷很容易被观察到。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构更薄的薄膜(CdS,SnO2)的精确测量。由于衍射衬度效应在明场像中可观察到晶界和其他内部缺陷，如堆跺层错、孪晶、和位错。Structure-CdTe的TEM分析4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池结构——背面接触电极被电极材料:Al或Ag，提供低电阻连接P-CdTe欧姆接触较难，Schottky二极管整流效应，故电极很薄步骤：刻蚀CdTe,镀金属层，热处理4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构CdTe电池未来发展推广依赖效率改善、成本降低、模组稳定性单接面电池向多接面电池发展连续式模组生产工艺可降低成本。4.2CdTe薄膜材料和太阳电池CdTe电池结构