《CIGS薄膜电池》PPT课件.ppt

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1、CIGS薄膜电池开发和材料特性 李建军 1120110091主要内容主要内容nCIGS电池特点n发展历史n电池理制备及其性能n研究进展n存在的问题CIGS电池特点nCu(In,Ga)Se2(CIGS)是-族化合物半导体材料，具有黄铜矿晶体结构n（1）光电转换效率高 NREL最高20.3%，是各类薄膜太阳电池的最高记录n（2）电池稳定性好，性能基本无衰降。n（3）抗辐照能力强，用作空间电源有很强的竞争力n（4）弱光特性好CIGS电池特点（5）通过适量的Ga 取代In，形成CIGS 四 元多晶固溶体，其禁带宽度可在1.67 eV 范围内连续可调（6）CIGS 是直接禁带材料，其可见光吸 收系数高达

2、105 cm1 数量级，非常适合太阳电池的薄膜化。（7）技术成熟后，电池制造成本和能量偿还时间均低于晶体硅太阳电池。发展历史nfirst CuInSe2 1970s Bell Laboratoriesnfirst thin-film CuInSe2/CdS Kazmerski etc.nfirst high-efficiency 9.4%Boeingnmanufacturing issues 1980s nBoeing(coevaporation),ARCO Solar(two-stage process followed by anneal)nNERL 20.3%（coevaporation

3、）2010电池结构和性能np 型CIGS 和n 型CdS 及高阻n 型ZnO形成p-n 异质结是CIGS 薄膜太阳电池的核心层n 各层制备工艺组件结构nCIGS 光伏组件是由许多宽约57 mm 的条状电池串接而成。三次切割划线完成了各子电池的界定、分割和互联。此三条切割线及其之间的间距均对光电转换效率没有贡献，称之为死区。因此这些线宽和间距应尽量小吸收层制备方法n1.线性源共蒸发n2.预制层后硒化快速退火性能参数比较nCIS 与其它太阳电池材料吸收系数的比较缺陷种类及能级位置主要的几种缺陷Vcu、Incu、Vse、CuIn光电流损失下实线为偏压下实线为偏压0 V，上实线为偏，上实线为偏压压1

4、V图图5 CIGS 薄膜电池薄膜电池的量子效曲线的量子效曲线辐照强度对光电转换率的影响n辐照强度下降，导致串联电阻和并联电阻上升，使得填充因子下降n短路电流线性下降使得开路电压下降铜含量对电池参数的影响温度对电池性能的影响n1载流子浓度-电阻率n2禁带宽度n3缺陷态处于不同的激发态抗辐射性CIGS电池的稳定性研究进展和方向n1干法缓冲层n2无镉工艺n3少In、少Ga工艺n4非真空低成本工艺n5叠层四端工艺n6柔性电池n7进一步提高小面积电池的转换效率干法缓冲层nCBD法的缺陷nMOCVD、ALCVD等软沉积方法nCdZnS、ZnSe（）和ZnIn2Se4(2.0ev)、In2S3(3.2ev)

5、、In(OH)xSyn溅射法(化学预处理)n(Zn,Mg)O无Cd工艺n缓冲层材料要求：n1高阻n 型或者本征的，以防止pn 结短路。n2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n3需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光n4对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也是非常重要的无Cd缓冲层少In少Ga工艺n锌黄锡矿(Kesterite)结构的Cu2ZnSn(S,Se)4 晶体，通过Zn 和Sn 各替代一半黄铜矿结构中的In，电池效率9.6%nCu(In1-xAlx)Se2 材料的制备方法包括蒸发法和后硒化法。蒸发法即采用与CIGS 类似的蒸发工艺，共蒸发Cu、In、Al

6、 和Se 四种元素形成薄膜。后硒化法即溅射沉积Cu-In-Al 预制层，然后在Se 气氛下退火。nIEC 制备了具有Mo/Cu(In1-xAlx)Se2/CdS/ZnO/ITO/Ni-Al 电极/MgF2 结构的太阳电池，单结太阳电池的转换效率达到了16.9%非真空低成本工艺n涂覆法涂覆法n涂覆法是将涂覆法是将Cu-In-Ga-Se 以一定的比例混合制备成纳米颗粒涂以一定的比例混合制备成纳米颗粒涂料，涂覆在衬底上，烘干后形成电池的吸收层料，涂覆在衬底上，烘干后形成电池的吸收层n其中最具代表的是其中最具代表的是IBM 公司采用的工艺方法和公司采用的工艺方法和Nanosolar 公司公司采用的工艺

7、方法，采用的工艺方法，14.5%左右左右n电沉积法电沉积法n在酸性溶液中，以衬底为阴极沉积在酸性溶液中，以衬底为阴极沉积CIGS 薄膜的方法薄膜的方法n美国国家再生能源实验室美国国家再生能源实验室(NREL)的的Bhattacharya 在氯化物溶液在氯化物溶液体系中一步法沉积体系中一步法沉积CIGS薄膜，得到富铜的薄膜，得到富铜的CIGS 薄膜，在真空薄膜，在真空硒气氛环境中进行热处理，并蒸发少量的硒气氛环境中进行热处理，并蒸发少量的In、Ga 调节调节CIGS 薄薄膜成分，使之接近化学计量比，制备的电池效率达到膜成分，使之接近化学计量比，制备的电池效率达到15.4%叠层四端工艺nCu(In

8、,Ga)Se2 Ga:0 1,Eg:1.04 eV 1.67 eV，非常适合制成双结太阳电池，CuGaSe2/CuInSe2 双结太阳电池的AM 1.5 的理论光电转换效率为33.9%。n主要问题:CuGaSe2 薄膜太阳电池的最高效率是10.2%，理论光电转换效率为26%n现阶段目标：将CuGaSe2顶电池的效率提高到16%柔性衬底电池n1.NREL 不锈钢衬底共蒸发方法 AM1.5 17.5%,在AM 0 光谱条件下，光电转换效率为15.2%，质量比功率达到1 433 W/kgn2.Ti 箔上AM 1.5 16.2%n3.聚酰亚胺衬底 AM1.5 14.1%研究现状工业化生产需要解决的问题n环保问题n原料问题n生产效率和成本n效率提升空间Thank you for attention.