能源材料ⅡⅥ族多晶薄膜太阳电池材料ppt课件

1、第十三章第十三章 -族多晶薄膜太阳电池资料族多晶薄膜太阳电池资料一、引言一、引言化合物半导体太阳能电池采用直接由原资料到太化合物半导体太阳能电池采用直接由原资料到太阳能电池的工艺道路，开展了薄膜太阳能技术。阳能电池的工艺道路，开展了薄膜太阳能技术。特点：高效率、低本钱、大规模消费化。特点：高效率、低本钱、大规模消费化。化合物半导体薄膜太阳能电池主要类型有：化合物半导体薄膜太阳能电池主要类型有：CdTe系太阳能电池、系太阳能电池、CuInSe2系列太阳能电池、系列太阳能电池、CdS/CuInSe2太阳能电池太阳能电池 、GaAs系列太阳能系列太阳能电池、电池、InP系列太阳能电池。系列太阳能电池

2、。二、资料性质二、资料性质1、CdTe薄膜资料性质薄膜资料性质1构造性质构造性质 CdTe是是-族化合物，是直接带隙资料，带隙为族化合物，是直接带隙资料，带隙为1.45eV。光谱呼应与太阳光谱非常吻合。具有闪。光谱呼应与太阳光谱非常吻合。具有闪锌矿构造。锌矿构造。CdTe太阳电池转换效率在太阳电池转换效率在7.7%16.0%之间，之间，CdTe薄膜太阳电池面积已到达薄膜太阳电池面积已到达6879cm2。 红：红：640780nm；橙：橙：640610nm;黄：黄：610530nm；绿：绿：505525nm；蓝：蓝：505470nm；紫：紫：470380nm。2光学性质光学性质光吸收系数大，厚度

3、为光吸收系数大，厚度为1um的薄膜可吸收大于的薄膜可吸收大于CdTe禁带辐射能量的禁带辐射能量的99%。CdTe膜越薄，吸收系数越高，带边与膜厚度无膜越薄，吸收系数越高，带边与膜厚度无关；关；薄膜的吸收系数与生长温度有关；薄膜的吸收系数与生长温度有关；堆积速率添加，薄膜吸收系数变化不大，且一切堆积速率添加，薄膜吸收系数变化不大，且一切薄膜有一样的吸收边。薄膜有一样的吸收边。3电学性质电学性质CdTe晶体主要靠共价键结合，但有一定的离子性。晶体主要靠共价键结合，但有一定的离子性。CdTe的结合强度很大，电子摆脱共价键所需能量更的结合强度很大，电子摆脱共价键所需能量更高。常温下高。常温下CdTe的

4、导电性主要由掺杂决议。的导电性主要由掺杂决议。用用CSS闭管升华法制备闭管升华法制备CdTe薄膜的电性质：薄膜的电性质：衬底温度升高，薄膜电阻率降低衬底温度升高，薄膜电阻率降低2个数量级；个数量级；薄膜电阻率的最大变化由氧偏压和源薄膜电阻率的最大变化由氧偏压和源-衬底间距引起。衬底间距引起。氧偏压氧偏压，源，源-衬底间距衬底间距，电阻率，电阻率。2、CdS薄膜资料性质薄膜资料性质1构造性质构造性质CdS薄膜具有纤锌矿构造，直接带隙资料，带隙薄膜具有纤锌矿构造，直接带隙资料，带隙宽为宽为2.42eV。CdS层吸收的光谱损失与层吸收的光谱损失与CdS薄薄膜的厚度和薄膜构成的方式有关。膜的厚度和薄膜

5、构成的方式有关。2光学性质光学性质 CdS薄膜广泛用于太阳电池窗口层，并作为薄膜广泛用于太阳电池窗口层，并作为n型型层与层与p型资料构成型资料构成pn结结 ，对电池转换效率有很，对电池转换效率有很大影响。大影响。 窗口层对光激发载流子是死层。缘由是：窗口层对光激发载流子是死层。缘由是：1CdS层高度掺杂，耗尽区只是层高度掺杂，耗尽区只是CdS厚厚度的一小部分；度的一小部分；2由于由于CdS层内缺陷密度较高，使空穴层内缺陷密度较高，使空穴分散长度非常短，假设耗尽区没有电场，分散长度非常短，假设耗尽区没有电场，载流子搜集无效。载流子搜集无效。 3电学性质电学性质本征本征CdS薄膜的串联电阻很高，不

6、利于做窗薄膜的串联电阻很高，不利于做窗口层。口层。提高电导率的方法：提高电导率的方法：衬底温度在衬底温度在300350之间，将之间，将In分散入分散入CdS中，把本征中，把本征CdS变成变成n-CdS，电导率可，电导率可提高；提高；对对CdS热处置也能使电导率添加。热处置也能使电导率添加。3、CuInSe2薄膜资料性质 1构造性质CuInSe2是一种三元-族化合物半导体，具有黄铜矿低温相，正方晶系和闪锌矿高温相、闪锌矿构造两个同素异形的晶体构造。CuInSe2是直接带隙半导体资料，77K时的带隙为1.04eV，300K时为1.02eV。1.04eV的禁带带隙与地面光伏利用要求的最正确带隙1.5

7、eV较为接近，但劣于CuInS2(Eg=1.55eV)。 2) 光学性质 CuInSe2具有6105cm-1的吸收系数，是半导体资料中吸收系数较大的资料。 CuInSe2的光学性质主要取决于资料各元素的组分比、各组分的均匀性、结晶程度、晶格构造及晶界的影响。资料元素的组分与化学计量比偏离越小，结晶程度越好，元素组分均匀性好，温度越低，光学吸收特性越好； l具有单一黄铜矿构造的具有单一黄铜矿构造的CuInSe2CuInSe2薄膜的吸收特性好薄膜的吸收特性好 ；l 富富CuCu薄膜比富薄膜比富InIn薄膜的吸收特性好，缘由是前者比后者薄膜的吸收特性好，缘由是前者比后者的结晶程度好；的结晶程度好；l

8、堆积衬底温度高的富堆积衬底温度高的富CuCu薄膜比堆积衬底温度低的薄膜的薄膜比堆积衬底温度低的薄膜的吸收特性要好吸收特性要好 ；l 室温下，单晶室温下，单晶CuInSe2CuInSe2的光学吸收系数比多晶薄膜的大；的光学吸收系数比多晶薄膜的大；l 吸收特性随资料任务温度的下降而下降，带隙随温度的吸收特性随资料任务温度的下降而下降，带隙随温度的下降而稍有升高。下降而稍有升高。 3电学性质电学性质 CuInSe2资料的电学性质主要取决于资料资料的电学性质主要取决于资料各元素组分比、偏离化学计量比而引起各元素组分比、偏离化学计量比而引起的固有缺陷、非本征掺杂和晶界有关。的固有缺陷、非本征掺杂和晶界有

9、关。资料各元素组分比接近化学计量比时：当资料各元素组分比接近化学计量比时：当Se缺乏时，缺乏时，Se空位呈现施主；当空位呈现施主；当Se过量过量时，呈现受主；当时，呈现受主；当Cu缺乏时，缺乏时，Cu空位呈空位呈现受主；当现受主；当Cu过量时，呈现施主；当过量时，呈现施主；当In缺乏时，缺乏时，In空位呈现受主；当空位呈现受主；当In过量时，过量时，呈现施主。呈现施主。v 当薄膜的组分比偏离化学计量比较大时，当薄膜的组分比偏离化学计量比较大时，薄膜的导电性主要由薄膜的导电性主要由Cu与与In之比决议，之比决议，普通是随着普通是随着Cu/In比的添加，电阻率下降，比的添加，电阻率下降，p型导电性

10、加强。型导电性加强。 p型导电性随着型导电性随着Se浓度浓度的添加而添加。的添加而添加。 实验证明，实验证明，CuInSe2薄膜的导电性与薄膜的组分薄膜的导电性与薄膜的组分有如下关系：有如下关系：1当当Cu/In1时，不论时，不论Se/(Cu+In)之比大于还之比大于还是小于是小于1，薄膜的导电类型都为，薄膜的导电类型都为p型，而且具有型，而且具有低的电阻率。低的电阻率。2当当Cu/In1，薄膜为，薄膜为p型，具有中等的电阻率；或薄膜为型，具有中等的电阻率；或薄膜为n型，具有型，具有高的电阻率。假设高的电阻率。假设Se/(Cu+In)1，薄膜为，薄膜为p型，型，具有高的电阻率，或薄膜为具有高的

11、电阻率，或薄膜为n型，具有低的电型，具有低的电阻率。阻率。三、太阳电池的构造及任务原理三、太阳电池的构造及任务原理1、CdTe/CdS太阳电池太阳电池以以CdTe作吸收层、作吸收层、CdS作窗口层的作窗口层的n-CdS/p-CdTe半半导体异质结电池的典型构造为：减反射膜导体异质结电池的典型构造为：减反射膜MgF2/玻璃玻璃/SnO2,F/CdS/p-CdTe/背电极。背电极。CdTe光伏技术的缺陷：资料中含元素光伏技术的缺陷：资料中含元素Cd，而，而Cd和和Cd的化合物均有毒性。的化合物均有毒性。CdTe/CdS太阳能电池的任务原理：太阳能电池的任务原理：CdTe和和CdS能构成电性能优良的

12、异质结。能构成电性能优良的异质结。Te分散分散入入CdS层中构成具有铅锌矿构造的层中构成具有铅锌矿构造的CdS1-y(Tey)，带隙小于带隙小于CdS，Te分散进窗口层提高了器件的短分散进窗口层提高了器件的短路电流。路电流。S分散入分散入CdTe内构成具有纤锌矿构造的内构成具有纤锌矿构造的合金合金CdTe1-xSx，带隙小于，带隙小于CdTe。窄带隙使开路电压下降，短路电流上升。窄带隙使开路电压下降，短路电流上升。2、CuInSe2(简称简称CIS太阳电池太阳电池CIS的构造为：光的构造为：光/金属栅状电极金属栅状电极/减反射膜减反射膜/窗口窗口层层ZnO/过渡层过渡层CdS/光吸收层光吸收层

13、CIS/金属背电极金属背电极Mo/衬底玻璃。衬底玻璃。1n-CdS低阻低阻/p-CuInSe2高阻太阳电池高阻太阳电池特点：具有较高的短路电流、中等的开路电压。特点：具有较高的短路电流、中等的开路电压。问题：为提高性能而降低电池的串联电阻有困难；问题：为提高性能而降低电池的串联电阻有困难；在在CuInSe2上生长低阻的上生长低阻的CdS困难。困难。 2pin型型CdS/CuInSe2太阳电池太阳电池 i层由高阻的层由高阻的n型型CdS和高阻的和高阻的p型型CuInSe2组成，防止了组成，防止了Cu结核的构成。结核的构成。n层由低阻的层由低阻的n型型CdS构成，具有较低的体构成，具有较低的体电阻

14、，与上电极的接触电阻也较小。电阻，与上电极的接触电阻也较小。p层由低阻的层由低阻的p型型CuInSe2组成，有较低的组成，有较低的体电阻和背接触电阻，和高电阻体电阻和背接触电阻，和高电阻p型层构型层构成背场，有利于开路电压的提高。成背场，有利于开路电压的提高。3ZnCdS/CuInSe2太阳电池太阳电池以以ZnxCd1-xS替代替代CdS制成制成ZnxCd1-xS/CuInSe2太阳电池太阳电池x在在0.10.3之间。之间。ZnS的掺入提高的掺入提高了开路电压，提高了窗口资料的能隙，改善了了开路电压，提高了窗口资料的能隙，改善了晶格匹配，提高了短路电流。晶格匹配，提高了短路电流。四、薄膜资料及

15、太阳电池的制备工艺四、薄膜资料及太阳电池的制备工艺1、CdS/CdTe太阳电池的制备方法太阳电池的制备方法主要是主要是CSS法。法。优点：蒸发资料损失少，结晶方向好，光伏特性优点：蒸发资料损失少，结晶方向好，光伏特性优良。优良。2、CdS/CdTe太阳电池制备中的主要影响要素太阳电池制备中的主要影响要素1CdCl2处置处置处置处置CdTe层层目的：改善电池的性能，提高器件的输出特性和目的：改善电池的性能，提高器件的输出特性和均匀性。均匀性。处置过程：处置过程：1在含有在含有CdCl2的乙醇溶液中，将的乙醇溶液中，将CdTe/CdS外外表镀上表镀上CdCl2，经过激光烧蚀或真空蒸发，或在，经过激

16、光烧蚀或真空蒸发，或在CdCl2气体中完成热处置；气体中完成热处置；2在大气压下的空气或氧气中，于在大气压下的空气或氧气中，于400下将有下将有镀层的镀层的CdTe/CdS退火，时间为退火，时间为10min30min；3用水洗或细微腐蚀，将残留用水洗或细微腐蚀，将残留CdCl2去除。去除。处置结果：添加了处置结果：添加了CdTe的原子迁移率，促进的原子迁移率，促进CdTe和和CdS膜的晶粒生长，并且使晶界钝化。膜的晶粒生长，并且使晶界钝化。CdS和和CdTe晶粒构造之间没有更多的关联。晶粒构造之间没有更多的关联。 用用CdCl2对对CdTe薄膜进展热处置，有以下作用：薄膜进展热处置，有以下作用

17、：1阻止阻止Te元素氧化；元素氧化；2退火后，退火后，CdTe/CdS器件成分分布更均匀；器件成分分布更均匀；3CdTe退火时退火时CdCl2充任溶剂，促进晶粒生长。充任溶剂，促进晶粒生长。2背接触背接触 构成背接触电极的程序为：构成背接触电极的程序为：1腐蚀或外表制备；腐蚀或外表制备；2运用含运用含Cu、Hg、Pb或或Au的膜；的膜；3延续在大于延续在大于150中热处置。中热处置。背接触电极的最正确制造工艺：背接触电极的最正确制造工艺：1腐蚀产生一富腐蚀产生一富Te外表，构成高掺杂或简并外表，构成高掺杂或简并p+内外表层；内外表层；2p型掺杂剂进入接触电极资料；型掺杂剂进入接触电极资料；3热

18、处置加速接触电极资料的反响和分散。热处置加速接触电极资料的反响和分散。3、CdS/CuInSe2太阳电池制备中的主要影响要素太阳电池制备中的主要影响要素 1衬底温度对薄膜构造的影响衬底温度对薄膜构造的影响 衬底温度太低，薄膜的结晶程度变差，晶粒变小，衬底温度太低，薄膜的结晶程度变差，晶粒变小，不易生长单一黄铜矿构造的薄膜。但较易获得接不易生长单一黄铜矿构造的薄膜。但较易获得接近化学计量比的薄膜。近化学计量比的薄膜。 衬底温度太高，由于衬底温度太高，由于Se及及In2Se、In2Se3等成分易等成分易蒸发，薄膜中蒸发，薄膜中Se含量缺乏，含量缺乏，Cu/In比增高，组分比增高，组分大大偏离化学计量比，不具有单一黄铜矿构造，大大偏离化学计量比，不具有单一黄铜矿构造，有有Cu2Se和和Cu2-xSe相出现。相出现。2热处置对薄膜光学和电学特性的影响热处置对薄膜光学和电学特性的影响适当的热处置可改善薄膜的结晶度和组分的均适当的热处置可改善薄膜的结晶度和组分的均匀性，减少膜中的缺陷。匀性，减少膜中的缺陷。不同气氛条件对热处置的影响：不同气氛条件对热处置的影响：在惰性气体中，可使薄膜中在惰性气体中，可使薄膜中p型导电性能下降，型导电性能下降，电阻率升高。因有少量电阻率升高。因有少