第九讲CIGS薄膜太阳能电池

1、铜锢铸硒(CIGS)薄膜太阳能电池CIGS薄膜太阳能电池这种以铜锢稼硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称 为铜钢镣硒电池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(ln1- xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CulnSe2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，Wagn

2、er利用单晶CIS研制出高效太阳能电池,制备困难制约了单晶CIS电池发 展1976年，Kazmerski等制备出了世界上第一个CIS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H 2 Se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CIS太阳能电池Ek20T590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C

3、IGS太阳能电池的效率达到了 188%, 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厂硅基太阳能电池主要:GQAsCdS CIGS有机聚合物太阳 能电池目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池J纳米晶太阳能电池多晶硅膜可得到高效太阳能电池（HVI族系列半导体的特征）禁带宽度适合吸收太阳光为何太阳能电池中使用CdTe、CulnSe2（CIS）太阳光强度Ail血I&1心 6- bAv氏10光吸收系数非常大a； 105cm-1<Si 的400倍）与CuGaSe?、CulnS2固溶,Eg;1.1*1.5eVCIGS的晶体结构CulnS

4、e2复式晶格:a=0.5773c=1.154直接带隙半导体，其光吸收系数高CulnSe2M铜矿晶格结构体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104富齟鳶飜龜爲仪主乂缺F臼 为p型，也可能为n型。n型材奉 气压下退火变为p型传导;相反， 低Se蒸气压下退火则变为n型在较高Se蒸 p型材料在较DefectEnergy psiiionType%C%Ey + ().03 eVEc - 0.25 eV£y + 0.29 eVShallow 曲呻nCo»)|H)n$aui)g donor Co»B|)ensairhg d

5、onor RwoiiiNnalion wiKerSOV啓 A 1R-tyRWCo.IBSo pre»«ri( w*tH*nt«mr>«cllete a or rt-typ«p igh aM C Us io).t-ow aqor n-typc Io” z>1) 当Cu/In>l时.不论Se/(Cu+In)之比大于还是小于1,薄膜的导电 类型都为P型，而且具有低的电阻率,载流子浓度为lO-lOcm3，但是当Se/(Cu + In)> 1时，发现有Cu2xSe存在.2) 当Cu/InVl,若Se/(Cu+In)> 1时，

6、则薄膜为p型.具有中等的电阻 率，或薄膜为n型，具有高的电阻率.若Se/(Cu+In)<l,则薄膜为p型，具 有高的电阻率，或薄膜为n型，具有低的电阻率.其中当Cu/In<l且Se/(Cu 4-In)<l时的高阻p型薄膜己在实验中获得了高效电池(10%) oCIS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.金属栅电极金属背电极Mo玻璃衬底光吸收层CIGSCIGS薄膜太阳能电池的结构减反射膜（MgFJ|厂低阻AZO窗口层ZnO yI过渡层CdS高阻ZnO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

7、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pn结 太阳能电池ZnO (n)CdS (n)CIGS(弱 p)(3.2eV)(2.4eV)(1.0-1.7eV)J光* 内建电场光生电流（电压）力 0 XfCIGS能带的失调值对电池的影响0.30.40.20.30.4position z umlO一/ 也 A6te.ga)电子亲合能不同，产生导带底失调值 Ec和价带失调值AEv禁带宽度可调:ZSEoO或vO讨论:对负的AEc而言

8、，由于窗口 层和吸收层界而之间的复合，将降 低开路电压;AEc>0的能带结构对 提高电池的转换效率有利。当 AEc>O.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ZEc的理想范围在0-0.4eV 之间，一般以020.3ev为宜CIGS薄膜太阳能电池的优点材料吸收率高，吸收系数高达何量级，直接带隙，适合薄膜 化，电池厚度可做到23微米，降低昂贵的材料成本光学带隙可调调制Ga/ln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

9、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袤东京工业大学的仝长井 诚教授认为：铜锢镣硒籟膜太阳能电池是绪三代 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锢镣硒（CIGS）等化合物薄膜 太阳能电池（注：第一代为箪晶硅太阳能电池， 第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电

10、池），考虑太阳能为縁色的能源和环境驱动因素，发展前 景蒋会十分广谕。CIS太阳能电池器件结构与特征太阳能电池的特征Au/NiCr/Rigid薄膜型(-1um)低温工艺G65(TC)高转换效率(-20%)高温定性具有与晶体硅一样的稳定性与晶体硅相比适合用于大面积的该太阳能电池最适合用于具有很强放射性的宇宙空间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：Culn的合金过程和Se化分离；Cu、In、Se起合金化;CulnSe2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

11、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 一般米用磁控溅射的方法，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6附空欣射工作竦理二步共蒸发法1. 衬底温度保