碲化镉铜铟镓硒太阳能电池

碲化镉铜铟镓硒太阳能电池第1页/共37页CIGS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/CdTe1991年T.L.ChuN-CdS/P-CdTe13.4%2001年X.WuN-CdS/P-CdTe16.5%2011年FirstSolar17.3%2011年GE12.8%（组件）第2页/共37页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第3页/共37页CdTe薄膜太阳能电池的优点CdTe是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，为直接带隙半导体。吸收系数高达104cm-1,电池厚度可做到2~3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.第4页/共37页常用太阳电池材料的光吸收系数第5页/共37页CdTe薄膜太阳能电池的缺点Te是稀缺材料Cd本身有毒Cd第6页/共37页CdTe薄膜太阳能电池的结构第7页/共37页CdTe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）和磁控溅射第8页/共37页近空间升华（CSS）第9页/共37页小面积单体电池研究机构面积/cm2开路电压/V转换效率/%Matsushita1.0/16USF0.9280.84515.8SCI0.270.83913.3CSM0.100.77812.9NREL0.690.82312.8大面积单体电池研究机构面积/cm2功率/W转换效率/%BPSolar454038.28.4SCI6728619.1GP352827.27.7Matsushita1200108.7第10页/共37页第11页/共37页第12页/共37页铜铟镓硒太阳能电池第13页/共37页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，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H２Se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%

第14页/共37页CIGS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,电池厚度可做到2~3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1.0~1.7eV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.第15页/共37页CIGS的晶体结构CuInSe2黄铜矿晶格结构CuInSe2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3.2X102(cm2/V·s)和1X10(cm2/V·s)通过掺入适量的Ga以替代部分In，形成CulnSe2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.第16页/共37页CIGS薄膜太阳能电池的结构金属栅电极减反射膜(MgF2)窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属背电极Mo玻璃衬底低阻AZO高阻ZnO金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS过渡层CdS光吸收层CIGS窗口层ZnO过渡层CdS光吸收层CIGS金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极玻璃衬底金属背电极Mo光吸收层CIGS过渡层CdS窗口层ZnO减反射膜(MgF2)金属栅电极第17页/共37页CIGS薄膜太阳能电池的结构第18页/共37页结构原理减反射膜：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比较接近第19页/共37页第20页/共37页染料敏化太阳能电池（DSSC）第21页/共37页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/I2)+溶

剂（4）对电极：TCO+Pt催化层第22页/共37页DSSC原理示意图：第23页/共37页光电转换机理：(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。第24页/共37页

光的捕获和光生载流子的传输都是有敏化剂和TiO2半导体分别完成的其中：D为基态染料分子； D’为激发态染料分子；

D+为氧化态染料分子第25页/共37页材料成本较低、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第26页/共37页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”第27页/共37页第28页/共37页聚光太阳电池第29页/共37页聚光太阳电池聚光型太阳能电池(ConcentratorPhotovoltaic)高聚光镜面菲涅尔透镜(FresnelLenes)]太阳光追踪器(SunTracker)]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。第30页/共37页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400～1,100nm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300～1900nm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。第31页/共37页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