碲化镉铜铟镓硒太阳能电池

1、碲化镉太阳能电池碲化镉太阳能电池 CIGS电池的发展历史及研究现状电池的发展历史及研究现状 结构效率 1963年CusanoN-CdTe/P-Cu2-xTe7% 1969年AdirovichCdS/CdTe 1991年T. L. ChuN-CdS/P-CdTe13.4% 2001年X. WuN-CdS/P-CdTe16.5% 2011年First Solar17.3% 2011年GE12.8%（组件） 10cm*10cm小型碲化镉薄膜太阳能电池模组 碲化镉薄膜太阳能电池组件 CdTe薄膜太阳能电池的优点薄膜太阳能电池的优点 ? CdTe是一种-族化合物半导体，为直接带隙半导体。 吸收系数高达1

2、04cm -1,电池厚度可做到23微米,降低昂贵 的材料成本 ? 带隙宽度为1.5eV,CdTe的光谱响应和太阳光谱非常匹配 碲化镉薄膜太阳能电池的理论光电转换效率约为28% ? Cd-Te化学键的键能为5.7eV一般的碲化镉薄膜太阳 能电池的设计使用时间为20年 ? 单质Cd和Te相遇只能存在固态的CdTe产品均匀性、 良品率高，非常适合大规模生产 ? 真空环境，温度高于4000C， CdTe升华，温度低于 4000C或气压升高，升华减弱，并凝结成固体真快快 速薄膜制备 ? 弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能. 常用太阳电池材料的光吸收系数常用太阳电池材料的光吸收系数 CdTe薄膜

3、太阳能电池的缺点薄膜太阳能电池的缺点 ?Te是稀缺材料 ?Cd本身有毒 Cd CdTe薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构 CdTe薄膜的制备工艺薄膜的制备工艺 CdTe薄膜： 商业化生产：近空间升华（CSS）、气相输 运沉积（VTD）和磁控溅射 近空间升华（CSS） 小面积单体电池研小面积单体电池研 究机构究机构 面积/cm2开路电压/V 转换效率/% Matsushita1.0 / 16 USF 0.9280.84515.8 SCI 0.270.83913.3 CSM 0.100.77812.9 NREL 0.690.82312.8 大面积单体电池研 究机构 面积/cm2 功率/W转换

4、效率/% BP Solar 454038.28.4 SCI 6728619.1 GP 352827.27.7 Matsushita 1200108.7 铜铟镓硒太阳能电池铜铟镓硒太阳能电池 CIGS电池的发展历史及研究现状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

5、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HSe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0.4cm 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薄膜太阳能电池的优点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

6、厚度可做到23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1.01.7eV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的晶体结构的晶体结构 CuInSe2黄铜矿晶格结构 CuInSe 2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

7、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3.2X10 2(cm2/Vs) 和 1X10(cm 2/Vs) 通 过 掺 入 适 量 的 Ga 以 替 代 部 分 In ， 形 成 CulnSe 2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薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构 低阻AZO 高阻ZnO 玻璃衬底 金属背电极Mo 光吸收层CIGS 过渡层C

8、dS 窗口层ZnO 减反射膜(MgF2) 金属栅电极 CIGS薄膜太阳能电池的结构薄膜太阳能电池的结构 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 染料敏化太阳能电池（DSSC） ?典型染料敏化太阳电池组成： （1）光电极：TCO+ 多孔二氧 化钛层 （2）敏化剂：染料(N719/N3)+ 溶剂 （3）电解质：I-/I3-(LiI/I 2)+溶 剂 （4）对电极

9、：TCO+Pt 催化层 DSSC原理示意图：原理示意图： 光电转换机理： (1)太阳光(hv)照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能 量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态 (S*)； (2) 激发态的电子快速注入到TiO2导带中； (3)电子在TiO2膜中迅速的传输，在导电基片上富集，通过外 电路流向对电极； (4)处于氧化态的染料分子(S*)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子 供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生； (5)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原。 光的捕获和光生载流子的传输都是有敏化剂和 TiO 2半导体分别完成的 2 3 - 3 1. 2.

10、TiO 3.2+32 4.3 DhD DDeDB DIDI IeI ? ? ? ? ? ? ? ? （） 其中：D为基态染料分子； D为激发态染料分子；为激发态染料分子； D+为氧化态染料分子 ?材料成本较低、制备工艺简单 ?转换效率随温度上升而提升不同于硅基太阳电池 ?电池两面均可以吸收光有利于吸收散射光 ?制备出半透明或不同颜色的电池装饰功能强 ?质量轻以及可制成柔性器件便于携带 ?能源回收期较短小于1年 ?较高的转换效率最高转换效率超出12% 染料敏化太阳电池的特点 太阳叶结构 通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶 染料敏化太阳电池制成的“太阳叶” 聚光太阳电池聚光太阳电池 聚光太阳电池聚光太

11、阳电池 聚光型太阳能电池 (Concentrator Photovoltaic) 高聚光镜面菲涅尔透镜(Fresnel Lenes) 太阳光追踪器(Sun Tracker) 其太阳能能量转换效率可达31%40.7%，虽然转换 效率高，但是由于向阳时间长，过去用于太空产业，现 在搭配太阳光追踪器可用于发电产业，比较不适合用于 一般家庭。 聚光太阳电池的特征聚光太阳电池的特征 聚光型太阳能电池主要材料是 砷化镓(GaAs)，也就是 三五族(III-V)材料， 一般硅晶材料只能够吸收太阳光谱中4001,100nm波 长之能量，而聚光型不同于硅晶圆太阳能技术，透过 多接面化合物半导体可吸收较宽广之太阳

12、光谱能量， 目前以发展出三接面InGaP/GaAs/Ge的聚光型太阳电 池可大幅提高转换效率，三接面聚光型太阳电池可吸 收3001900nm波长之能量相对其转换效率可大幅提 升，而且聚光型太阳能电池的耐热性比一般晶圆型太 阳能电池又来的高。 聚光太阳电池的优缺点聚光太阳电池的优缺点 聚光电池最大的一个优点就是它的转换效率十分理 想。目前，商业运用的聚光电池转换效率达到25%-30%， 这大大高于前两代太阳能电池的转换效率。据中投顾问 发布的2010-2015年中国太阳能电池行业投资分析及 前景预测报告显示，目前，商业运用的晶硅太阳能电 池转换效率最高可达20%左右，薄膜太阳能电池的转换 效率不超过15%。此外，聚光电池另一优点是电池片用 量少，可以节约一定的成本。 但是，聚光电池也有不能忽视的缺点。由于原料稀 缺，生产聚光电池的成本很高，大大高于前两代太阳能 电池的生