CIGS太阳电池电池结构

1、 CIGS是直接带隙材料，已知的半导体材料中光吸收系数最大，最适合薄膜化。CIGS膜厚度1-2um时就可以将太阳光全部吸收，大大降低了材料的成本，而多晶硅膜太阳电池其膜厚通常在20-30um。 CIS等其他黄铜矿结构能容忍较大的化学计量比偏差，其最大的优点是多晶CIS具有与其单晶相类似的电学特性，因此CIS基太阳能电池对杂质、粒径以及晶体缺陷不如其他电池那么敏感。 CIGS是由Ga取代CIS中部分的In得到黄铜矿结构的四元化合物，因此能进行带隙剪裁。太阳能理想的吸收禁带宽度为1. 451. 5eV，而CIGS的禁带宽度可在1. 021. 68eV范围内调整，这就为薄膜太阳电池最佳带隙的优化提供

2、了新的途径。可带隙调整是相对于Si系和CdTe系太阳电池的最大优势。研究发现随着掺Ga量从0到0.34，转化效率提高，进一步增加Ga的量，转化效率反而降低。此外，掺Ga可提高薄膜的附着力，但同时也会降低短路电流（Jsc）和填充因子（FF），因此掺Ga量需要优化，实验证明Ga/In+Ga0.3比较适合。通常使用鈉玻璃(Soda-lime) 基板，鈉玻璃除了價格便宜外，熱膨脹係數與CIGS 吸收層薄膜相當接近。在成長薄膜時，因基板溫度接近鈉玻璃的玻璃軟化溫度，所以鈉離子將會經過鉬金屬薄膜層擴散至吸收層。當鈉離子跑至CIGS 薄膜時，會使薄膜的晶粒變大，且增加導電性，降低串聯電阻。CIGS太阳电池结

3、构Glass / Stainless Steel / Polymer 用直溅镀或者电子束蒸镀的方式沉积一层鉬(Mo)作为背电极，接正极。 钼层与玻璃衬底有良好的附着性，同时与CIGS层不发生化学反应，此外钼金屬薄膜具有高度的光反射性、低電阻。Glass / Stainless Steel / PolymerMo (0.51.5m)CIGS太阳电池结构 吸收層CIGS 本身具黃銅礦结构(Chalaopyrite)，可以由化學組成的調變直接得到P-type 或者是N-type 。 Vacuum method (1) 共蒸鍍(Co-evaporation) (2) 濺鍍(Sputtering ) N

4、on-Vacuum method (1) 電鍍(Electrodeposition) (2) 涂布制程(Coating Process)Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CIGS太阳电池结构I.Soda lime glass as the substrate; cells are monolithically integrated using laser/mechanical scribing.Monolithic integration of TF solar cells can lead to signific

5、ant manufacturing cost reduction; e.g., fewer processing steps, easier automation, lower consumption of materials.CIGS吸收层的制备The number of steps needed to make thin film modules are roughly half of that needed for Si modules. This is a significant advantage.SubstratepreparationBase ElectrodeAbsorberF

6、irstScribeThirdScribeTopElectrodeJunctionLayerSecondScribeExternalContactsEncapsulationCIGS Modules Process SequenceCIGS吸收层的制备II. Metallic web using roll-to-roll deposition; individual cells are cut from the web; assembled into modules.III. Plastic web using roll-to-roll deposition; monolithic integ

7、ration of cells.CIGS吸收层的制备1. In, Ga and Se were Co evaporated at 400 2. Cu and Se were codeposited while the substrate temperature was ramped up to 580 .3.In, Ga and Se were coevaporated still at 580 ，The samples were then cooled in Se atmosphere down to 250 CIGS太阳电池结构3-stage process 緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO

8、與CIGS 間之能帶上的連續(band discontinuity) 。 使用化學水浴沉積法(chemical bath deposition，簡稱CBD) 成長可提供CIGS 上表面平整的均勻覆蓋。 緩衝層要求高透光率，以便能使入射光順進入主吸收層材料被有效的吸收。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)CIGS太阳电池结构化學浴沉积法 (Chemical bath deposition) 是一種製備半導體薄膜的技術，方法是將基板浸入含有金屬離子及OH-、S2- 或Se2- 離子的水溶液中，藉由控制

9、水溶液的溫度及pH 值，使金屬離子與OH-、S2- 或Se2- 離子產生化學反應，形成化合物半導體沉积在基板上。化学浴沉积法 透明導電膜(TCO) 要低電阻、高透光率，但ZnO 本身是高電阻材料，因此外加鋁重摻雜氧化鋅(ZnO: Al) 改善其電性，但是會降低透光率，因此須在此找到最適合的摻雜濃度 。 多半用RF 濺鍍法(RF sputter)達成鍍膜。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)CIGS太阳电池结构 太阳电池表面的光反射损

10、失大约10%，减少反射，增加透射。Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)CIGS太阳电池结构MgF2 (0.10.15m) 蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層當作頂層電極，接負極。 Glass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)MgF2 (0.10.15m)CIGS太阳电池结构小结小结G

11、lass / Stainless Steel / PolymerCIGS (1.52m)Mo (0.51.5m)CdS(0.05m)i-ZnO(0.05m)TCO (ZnO:Al)(0.51.5m)MgF2 (0.10.15m)ChallengesCIGS 电池的发展方向两个问题制约产业投资：In、Ga等稀有金属元素的资源对该电池发展到多大规模时将受到制约？电池中的CdS再薄，也要考虑Cd元素的存在会对环境的影响。CIGS 电池的发展方向无Cd层缓冲层的选取：缓冲层材料应是高阻n型或者本征的，以防止pn结短路。和吸收层间要有良好的晶格匹配，以减少界面缺陷，降低界面复合；需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光；对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也非常重要。C