0174.铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池CIGS薄膜太阳能电池这种以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称为铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背电极/玻璃）CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1-xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半导体。CIGS电池的发展历史及研究现状•70年代Bell实验室Shaly等人系统研究了三元黄铜矿半导体材料CIS的生长机理、电学性质及在光电探测方面的应用•1974年，Wagner利用单晶ClS研制出高效太阳能电池,制备困难制约了单晶ClS电池发展•1976年，Kazmerski等制备出了世界上第一个ClS多晶薄膜太阳能电池•80年代初，Boeing公司研发出转换效率高达9.4%的高效CIS薄膜电池•80年代期间，ARCO公司开发出两步(金属预置层后硒化)工艺，方法是先溅射沉积Cu、In层，然后再在H２Se中退火反应生成CIS薄膜，转换效率也超过10%•1994年，瑞典皇家工学院报道了面积为0.4cm２效率高达17.6%的ClS太阳能电池•90年代后期，美国可再生能源实验室(NREL)一直保持着CIS电池的最高效率记录，并1999年，将Ga代替部分In的CIGS太阳能电池的效率达到了18.8%，2008年更提高到19.9%ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池发展的历程太阳能电池的分类按制备材料的不同硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池有机聚合物太阳能电池纳米晶太阳能电池主要:GaAsCdSCIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池硅基太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池主要:GaAsCdSCIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池主要:GaAsCdSCIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池硅基太阳能电池纳米晶太阳能电池有机聚合物太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池主要:GaAsCdSCIGS目前,综合性能最好的薄膜太阳能电池CIGS的晶体结构CuInSe2黄铜矿晶格结构CuInSe2复式晶格:a=0.577,c=1.154直接带隙半导体，其光吸收系数高达105量级禁带宽度在室温时是1.04eV，电子迁移率和空穴迁移率分3.2X102(cm2/V·s)和1X10(cm2/V·s)通过掺入适量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体Ga的掺入会改变晶体的晶格常数，改变了原子之间的作用力,最终实现了材料禁带宽度的改变，在1.04一1.7eV范围内可以根据设计调整，以达到最高的转化效率自室温至810℃保持稳定相,使制膜工艺简单,可操作性强.CIGS的电学性质及主要缺陷富Cu薄膜始终是p型，而富In薄膜则既可能为p型，也可能为n型。n型材料在较高Se蒸气压下退火变为p型传导;相反，p型材料在较低Se蒸气压下退火则变为n型CIS中存在上述的本征缺陷，影响薄膜的电学性质.Ga的掺入影响很小.CIGS的光学性质及带隙•CIS材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在1.02eV-2.7eV范围变化，覆盖了可见太阳光谱In/Ga比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖1.0一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满足下列公式其中，b值的大小为0.15一0.24eVCIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。当x=Ga/(Ga+In)0.3时，随着的增加，Eg增加，Voc也增加;x=0.3时带隙为1.2eV;当x0.3时，随着x的增加，Eg减小，Voc也减小。G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最好。CIGS薄膜太阳能电池的结构金属栅电极减反射膜(MgF2)窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属背电极Mo玻璃衬底低阻AZO高阻ZnO金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极玻璃衬底金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极结构原理减反射膜：增加入射率AZO：低阻，高透，欧姆接触i-ZnO：高阻，与CdS构成n区CdS：降低带隙的不连续性，缓冲晶格不匹配问题CIGS：吸收区，弱p型，其空间电荷区为主要工作区Mo:CIS的晶格失配较小且热膨胀系数与CIS比较接近CIGS薄膜电池的异质结机理•CIGS电池的实质：窗口-吸收体结构的异质p-n结太阳能电池光CIGS(弱p)(1.0~1.7eV)CdS(n)(2.4eV)ZnO(n)(3.2eV)N区内建电场光生电流（电压）CIGS能带的失调值对电池的影响电子亲合能不同,产生导带底失调值△Ec和价带失调值△Ev禁带宽度可调:△Ec0或0讨论:对负的△Ec而言，由于窗口层和吸收层界面之间的复合，将降低开路电压;△Ec0的能带结构对提高电池的转换效率有利。当△EcO.5eV以后，开路电压明显下降，同时短路电流也急剧下降.高效电池△Ec的理想范围在0-0.4eV之间，一般以0.2-0.3ev为宜CIGS薄膜太阳能电池的优点•材料吸收率高,吸收系数高达105量级,直接带隙,适合薄膜化,电池厚度可做到2~3微米,降低昂贵的材料成本•光学带隙可调.调制Ga/In比,可使带隙在1.0~1.7eV间变化,可使吸收层带隙与太阳光谱获得最佳匹配•抗辐射能力强.通过电子与质子辐照、温度交变、振动、加速度冲击等试验,光电转换效率几乎不变.在空间电源方面有很强的竞争力•稳定性好,不存在很多电池都有的光致衰退效应•电池效率高.小面积可达19.9%,大面积组件可达14.2%•弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能.CIGS太阳能电池研究现状•在20世纪90年代,CIGS薄膜太阳能电池得到长足的发展,日本NEDO（新能源产业技术开发机构）的太阳能发电首席科学家东京工业大学的小长井诚教授认为:铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池的首选,并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池。•所谓第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池（注：第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电池）,•考虑太阳能为绿色的能源和环境驱动因素,发展前景将会十分广阔。CIS薄膜的制备•CIS薄膜的制备方法多种多样,大致可以归为三类:CuIn的合金过程和Se化分离；Cu、In、Se一起合金化；CuInSe2化合物的直接喷涂。•主要的制备技术包括:真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷射热解等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效率最高。另外,电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到了广泛研究,有相当的应用前景问题以及前景•CIS光伏材料优异的性能吸引世界众多专家研究了20年,直到2000年才初步产业化,其主要原因在于工艺的重复性差,高效电池成品率低。CIS(CIGS)薄膜是多元化合物半导体,原子配比以及晶格匹配性往往依赖于制作过程中对主要半导体工艺参数的精密控制。目前,CIS薄膜的基本特性及晶化状况还没有完全弄清楚,无法预测CIS材料性能和器件性能的关系。CIS膜与Mo衬底间较差的附着性也是成品率低的重要因素。同时在如何降低成本方面还有很大空间。以上这些都是世界各国研究CIS光伏材料的发展方向。CIGS薄膜太阳能电池的制备•CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟•最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法补充:磁控溅射1.衬底温度保持在约350℃左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。2.将衬底温度提高到550一580℃，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的ＣＩＧＳ薄膜。3.保持第二步的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到ＣｕＩｎ１－ｘＧａｘＳｅ２的薄膜。三步共蒸发法