CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备.ppt

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1、CIGS薄膜太阳能电池的原理及薄膜太阳能电池的原理及制备制备作者：班级：学号：太阳能电池分类 晶硅电池：单晶硅电池（晶硅电池：单晶硅电池（c-c-SiSi）、多晶硅电池（）、多晶硅电池（p-Sip-Si）；转化率高（最高达转化率高（最高达24.7%24.7%），成），成本高本高 硅基薄膜电池：成本低，非晶硅基薄膜电池：成本低，非晶硅薄膜电池（硅薄膜电池（a-Sia-Si）有）有光致衰退效应致使其性能不稳定,多晶多晶硅薄膜电池（硅薄膜电池（ploy-Siploy-Si）没有）没有光致衰退效应,转化率比晶硅低（最高p-Si16.5%）化合物半导体薄膜电池：CIGS禁带宽度1.04-1.7eV（最佳

2、1.5eV），CdTe禁带宽度1.45eV,GaAs目前转化率20%。光吸收系数高，光电转化率高，成本低。CIGS 的黄铜矿型晶体结构 吸收层吸收层CIGS(CIGS(化学式化学式CuCuI InGanGaS Se e2 2)是是薄膜电池的核心材料薄膜电池的核心材料,属于正方晶系属于正方晶系黄铜矿结构。具有复式晶格黄铜矿结构。具有复式晶格,晶格常晶格常数数a=0.577nm,c=1.154nma=0.577nm,c=1.154nm。作为。作为直接带隙半导体直接带隙半导体,其光吸收系数高达其光吸收系数高达105105量级量级(几种薄膜太阳能材料中几种薄膜太阳能材料中较高的较高的)。禁带宽度在室温

3、时是。禁带宽度在室温时是1.O4eV,1.O4eV,电子迁移率和空穴迁移率电子迁移率和空穴迁移率分别为分别为3.2X103.2X1022(cm(cm2 2/VS)/VS)和和1X10(cm1X10(cm2 2/V VS)S)太阳能电池的短路电流既太阳能电池的短路电流既光生电流，是指在一定的光生电流，是指在一定的温度和辐照度条件下，光温度和辐照度条件下，光伏发电器在端电压为零时伏发电器在端电压为零时的输出电流。分析短路电的输出电流。分析短路电流最直接的方法就是对不流最直接的方法就是对不同波段的光所产生的光生同波段的光所产生的光生电子空穴对数量进行积分，电子空穴对数量进行积分，并计算出每一波段所产

4、生并计算出每一波段所产生的电流，将电流求和，最的电流，将电流求和，最终得到的总电流就是其短终得到的总电流就是其短路电流路电流。CIGS薄膜太阳能电池层状结构 金属栅电极金属栅电极:用作铝电极，用电子用作铝电极，用电子束蒸发法制备束蒸发法制备.减反射膜减反射膜:作用是增加入射率，减作用是增加入射率，减少电池表面光反射的损失少电池表面光反射的损失,增加光增加光透过率。透过率。窗口层窗口层:N:N型窗口层不仅与型窗口层不仅与CdSCdS缓冲缓冲层一起构成了异质结的层一起构成了异质结的n n型部分型部分,而而且还是电池功率输出的通道。窗口且还是电池功率输出的通道。窗口层与缓冲层之间有很好的匹配性层与缓

5、冲层之间有很好的匹配性,且透光性好。且透光性好。过渡层：作用是降低带隙的不连续过渡层：作用是降低带隙的不连续性，缓冲晶格不匹配问题，作为性，缓冲晶格不匹配问题，作为pnpn结的结的n n型半导体。型半导体。吸收层：作为吸收层：作为pnpn结的结的p p型半导体，型半导体，作用是吸收光，以激发电子，使电作用是吸收光，以激发电子，使电子跃迁，达到光电转化的目的。子跃迁，达到光电转化的目的。CIGSCIGS必须有足够的厚度，且缺陷少。必须有足够的厚度，且缺陷少。磁控溅射 溅射镀膜溅射镀膜,主要是利用高速运动的主要是利用高速运动的等离子体等离子体,轰击轰击IEIE材表面材表面,与靶材粒与靶材粒子进行能

6、量和动量交换子进行能量和动量交换,具有高能具有高能量的粒子飞向衬底沉积成膜。特别量的粒子飞向衬底沉积成膜。特别适用于生长难培化合物合金薄膜。适用于生长难培化合物合金薄膜。磁控溅射就是在阴极祀材后方安装磁控溅射就是在阴极祀材后方安装永久磁铁或电磁线圈永久磁铁或电磁线圈,磁力线先穿磁力线先穿出出IEIE面面,然后变成与电场方向垂直然后变成与电场方向垂直,最终返回最终返回IEIE面。靶面电子的运动受面。靶面电子的运动受到电场和磁场的共同作用到电场和磁场的共同作用,产生回产生回旋运动旋运动,其轨迹是一圆滚线。由于其轨迹是一圆滚线。由于离子在表面做往复运动离子在表面做往复运动,增加了电增加了电离碰撞的次

7、数离碰撞的次数,使得惰性气体原子使得惰性气体原子可以在一个比较低的工作气压下维可以在一个比较低的工作气压下维持放电持放电,产生的高速离子轰击祀材产生的高速离子轰击祀材并溅射出高能量的粒子并溅射出高能量的粒子,最终在基最终在基片上沉积成膜。片上沉积成膜。CIGS电池各层的制备衬底衬底：衬底一般采用玻璃衬底一般采用玻璃,也有的采用不同材料的柔性箔片也有的采用不同材料的柔性箔片作为材料。作为材料。背电极背电极：在洁净的衬底上沉积在洁净的衬底上沉积1 1到到1.5um1.5um的金属铝的金属铝吸收层吸收层：在铝电极上沉积在铝电极上沉积1.61.6到到2.0um2.0um的的CIGSCIGS缓冲层缓冲层

8、：在吸收层上依次制备厚在吸收层上依次制备厚6060一一100nm100nm的硫化锡的硫化锡窗口层：在窗口层：在缓冲层缓冲层上沉积上沉积100nm100nm左右的本征氧化锌层左右的本征氧化锌层减反层和铝电极：沉积减反层和铝电极：沉积厚厚600nm600nm左右的掺铝氧化锌层和银左右的掺铝氧化锌层和银电极。电极。整个电池的制备过程就是不同薄膜的制备与叠加过程整个电池的制备过程就是不同薄膜的制备与叠加过程,多层多层薄膜叠加形成薄膜叠加形成P P一一N N结结构而实现光电转化。整个制膜过程结结构而实现光电转化。整个制膜过程一般采用磁控溅射、蒸发镀膜或是其他一些非真空技术实一般采用磁控溅射、蒸发镀膜或是

9、其他一些非真空技术实现。电池的衬底一般采用含钠的现。电池的衬底一般采用含钠的CorningGlaSS,CorningGlaSS,为为CIGSCIGS吸吸收层提供适量的钠源，适量的金属钠元素对于收层提供适量的钠源，适量的金属钠元素对于CIGSCIGS电池的电池的填充因子有着很大的提高。填充因子有着很大的提高。Mo电极SEM分析 CIGS薄膜SEM片 CIGS薄膜SEM分析由图由图3.1(a)3.1(a)可知可知,室温下溅射的室温下溅射的CIGSCIGS薄膜虽然表面平整薄膜虽然表面平整,但并未结晶但并未结晶,薄膜的附着力非常差薄膜的附着力非常差,很容易脱落。提高衬很容易脱落。提高衬底温度底温度,薄

10、膜开始结晶。在薄膜开始结晶。在320320时时(图图3.1(b),3.1(b),薄膜已薄膜已经经 始晶化始晶化,晶粒逐渐增大晶粒逐渐增大,但表面疏松但表面疏松,晶粒间隙大晶粒间隙大,致致密性差。继续提高温度至密性差。继续提高温度至420(420(图图3.1(d),3.1(d),薄膜晶粒间薄膜晶粒间隙变小隙变小,致密性也得到较大的改善致密性也得到较大的改善,但是薄膜性质的稳定但是薄膜性质的稳定性较差性较差,薄膜表面偶尔会出现微米柱。图薄膜表面偶尔会出现微米柱。图3.1(c)3.1(c)是实际是实际衬底温度为衬底温度为370,370,溅射气压为溅射气压为0.5Pa,0.5Pa,靴基距为靴基距为5c

11、m,5cm,溅射溅射功率为功率为160W160W时溅射的时溅射的CIGSCIGS薄膜薄膜SEMSEM照片。照片。370370C C下溅射下溅射的薄膜晶界明显的薄膜晶界明显,晶粒尺寸均勻且致密晶粒尺寸均勻且致密,表面光滑平整表面光滑平整,无微米柱及突起。这说明无微米柱及突起。这说明,实际衬底温度为实际衬底温度为370370时时,CIGS,CIGS薄膜的致密性和平整度得到较大的改善。薄膜的致密性和平整度得到较大的改善。370时制备的CIGS薄膜的XRD图结论：结论：370370溅射的溅射的CIGSCIGS薄膜致密均匀薄膜致密均匀,光光滑平整滑平整,结晶性较好结晶性较好,具具有较强的有较强的(220)/(204)(220)/(204)面择优取向。在磁控面择优取向。在磁控溅射的过程中溅射的过程中,适当的适当的提高衬底的温度提高衬底的温度,可以可以获得结晶性较好的薄获得结晶性较好的薄膜。膜。不同溅射功率下制备的不同溅射功率下制备的CIGSCIGS薄膜的薄膜的SEMSEM表面和截面照片表面和截面照片(a,d)80W,(b,e)(a,d)80W,(b,e)120W,(c,f)160W120W,(c,f)160W谢谢！