CIGS基础知识

1、历史CIS由Hahn于1953年发明。贝尔实验室70年代早期 开始将其用作太阳能电池80年代波音和ARCO 分别用共蒸和溅射硒化法作进一步研究，将CIS掺镓成为CIGS目前最高效率19.5%CIGS优点1.高效率(19.5%，近于非晶硅)2.稳定性(无衰减，耐辐照).低成本(薄膜、连接)4.钠效应5.短能量偿还时间6.适应于很多应用(弱光、空间、柔性基片) 7.很多研究和发展空间CIGS的结构物理性质物理性质属性属性值值单位单位晶格常数晶格常数a a5.785.78埃埃c c11.6211.62埃埃密度密度5.755.75水密度水密度熔点熔点986986273K273K热膨热膨胀系数胀系数a

2、a轴轴8.32e-68.32e-61/K1/Kc c轴轴7.89e-67.89e-61/K1/K273K273K热导热导0.0860.086CIGS的性质带隙：对CIS为1.04eV，CIGS随镓含量增多导带上升，带隙增加，CGS为1.65eV。带隙增加也可以用硫代替硒，此时价带下降电属性：富铜为p型富铟为n型典型的p型载流子浓度约1016/cm3 迁移率：薄膜高于块状单晶高于多晶空穴为15-200cm2/Vs 电子为90-900cm2/Vs 介电常数：低温下13.62.4 高温下8.11.4电子的有效质量为0.09电子质量重空穴为0.71电子质量轻空穴为0.092电子质量CIGS中的缺陷主要

3、有：空位取代原子晶粒间界等铜空位铜空位EV+0.03eVEV+0.03eV浅受主浅受主铟代铜铟代铜EC-0.25eVEC-0.25eV补偿施主补偿施主硒空位硒空位补偿施主补偿施主铜代铟铜代铟EV+0.29eVEV+0.29eV复合中心复合中心表面和晶相生长的CIGS一般为柱状多晶，典型晶体大小1微米，112晶向沿垂直薄膜厚度方向电池组件结构包括：基底、(阻挡层)、背电极、吸收层、(硫化镉缓冲层)、i-zno缓冲层、n-zno上电极层、(减反射层)工作时大部分吸收层为p型，最上层吸收层和以上各层为n型，带图如下基底基底有刚性的玻璃、陶瓷基底和柔性的金属、塑料基底。一般用普通的钠钙玻璃。金属基底要

4、在金属上加绝缘阻挡层塑料基底要注意所耐温度限制硼硅玻璃热膨胀系数过低，聚酰亚胺热膨胀系数过高，要采用特殊工艺阻挡层要求阻挡层的情况：1.金属基板为求绝缘2.外加钠源时准确控制钠浓度阻挡层的材料：氧化硅、氮化硅沉积方式：射频溅射背电极背电极一般用钼，通常为直流溅射沉积，优点为稳定性、高反射率、低电阻，缺点为形成硒化钼可能的替代材料为钽和铌对双面电池，用导电氧化物层代替钼吸收层沉积方法主流沉积方法：三步共蒸和溅射硒化三步共蒸和溅射硒化其他沉积方法：反应溅射反应溅射 化学水浴沉积化学水浴沉积 激光蒸发激光蒸发 三步共蒸得到最高效率溅射保证大面积均匀性第一缓冲层硫化镉缓冲层，优点是(111)面和CIG

5、S(112)面匹配，缺点是环境问题通常制造方法：镉盐+铬合剂+硫脲 化学水浴沉积其他制造方法：真空蒸发溅射原子层化学气相沉积电沉积其他制造方法共同缺点：破坏吸收层无镉缓冲层：欧洲法律规定所有电器必须无镉，暂不包括光伏装备无镉缓冲层一般为锌和铟的硫属元素化物，制造方法和硫化镉相似主要问题：效率不够高光照下 产生亚稳态第二缓冲层高阻本征氧化锌层，一般厚度50nm优点：增加二极管性能主要沉积方式：射频溅射透明电极层 上电极要求：n掺杂透明导电氧化物 高透明性、低厚度以降低光学损耗 低电阻、高厚度以降低串联电阻损耗 选用材料： 纯材料氧化锌氧化铟氧化锡 组合材料AZOGZOIZOITO 沉积方式直流溅

6、射(大规模)射频溅射反应溅射划线 划线可为激光、光刻划线或机械划线 第一步钼层较硬，必须激光划线；第二步以后可用机械划线 线宽低时可能短路，线宽高时遮光损失大 划线间距低时遮光损失大，划线间距高时电阻损失大 一般死区总宽0.5-1mm，划线间距5-10mm，光学损失约10%生产线 实际生产分为流水线生产和批处理 流水线生产自动进行，基片在传送带上匀速运动，但速度慢的处理过程需要很长的流水线 批处理自动或手动进行，一次进行很多基片的处理，处理速度慢时只要处理量大也能得到低成本 不同的工序可以两者结合起来生产成本 生产成本分为直接成本和间接成本 直接成本不随产量变化，主要是材料成本 降低直接成本的

7、方式：提高材料利用率降低次品率 间接成本随产量增加而降低，主要为设备成本环境考虑 主要环境问题：镉污染、硒和硒源毒性、铟材料缺乏 解决办法： 废水除镉镉替代 单质硒化 铟回收利用发展方向 新生产技术：改进沉积装备更好过程控制 新材料 轻和柔性基片(塑料、金属)宽隙合金(含硫)无钼背电极(钼合金、钽、铌)无镉缓冲层(含锌、铟)无铟吸收层(含锡) 新的透明电极(高透光高导电性) 新器件结构：无缓冲层双面电池多层电池 多层电池结构：宽隙在上，窄隙在下 初期低成本：非真空过程效率估计 实验室组件效率高于工业生产，因为 1.工业生产难于实现大面积均匀性 2.实验室组件不需要划线连接，没有相关损失 效率具

8、有高稳定性，仅湿热条件下会退化 最大效率由以下损失机制描述光生电流影响短路电流光生电流影响短路电流 影响光生电流的因素有 1.覆格或划线导致的覆格损失 2.前表面反射，可用减反膜 3.透明导电层吸收 4.缓冲层吸收缓冲层中载流子不收集因为缓冲层两边性质不反转所以有高复合几率可用宽带隙的缓冲层 5.CIGS不完全吸收CIGS薄于1.0 m时会透过部分长波 6.CIGS光生载流子不完全收集 不同原因电流损失量(mA/cm2) 1 1覆格损失覆格损失1.71.72 2反射损失反射损失3.83.83 3ZnOZnO吸收吸收1.81.84 4CdSCdS吸收吸收0.80.85 5CIGSCIGS不完不完全产生全产生1.91.96 6CIGSCIGS不完不完全收集全收集0.40.4复合损失影响开路电压复合损失影响开路电压 复合发生在各层界面、空间电荷区和块吸收层 最主要机制为CIGS空间电荷区SRH复合，因此需要在制备时减少复合中心 复合中心以深能级缺陷为主，要使用高纯材料减少杂质 背表面场结构可减少复合区大小电阻损失影响填充因子电阻损失影响填充因子 降低电阻损失：使用厚和低阻的导电氧化物材料层，减少划线间隔加大背电极厚度 一般小面积电池串