碲化镉、铜铟镓硒太阳能电池..

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.
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
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.
1. D h D ' 2. D ' D e DB （TiO 2） 3. 2 D +3I 2 DI 3 4. I 3- e 3I
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
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
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。
面积/cm2
开路电压/V
转换效率/%
1.0 0.928 0.27 0.10 0.69 面积/cm2 4540
/ 0.845 0.839 0.778 0.823 功率/W 38.2
16 15.8 13.3 12.9 12.8 转换效率/% 8.4
SCI
GP Matsushita
6728
3528 1200
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，生产聚光电池的成本很高，大大高于前两代太阳能 电池的生产成本。成本高企降低了光伏企业的研发和生 产热情，也严重制约聚光电池的普及运用；另外，生产 聚光电池耗能较大，在国家积极推行节能减排的情况下， 制造聚光电池必然会受到国家的一些限制。
CIGS的晶体结构
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.
61
27.2 10
9.1
7.7 8.7
铜铟镓硒太阳能电池
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%
染料敏化太阳电池的特点
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%
碲化镉太阳能电池
CIGS电池的发展历史及研究现状
结构 1963年 1969年 1991年 2001年 2011年 2011年 Cusano Adirovich T. L. Chu X. Wu First Solar GE N-CdTe/P-Cu2-xTe CdS/CdTe N-CdS/P-CdTe N-CdS/P-CdTe 13.4% 16.5% 17.3% 12.8%（组件） 效率 7%

染料敏化太阳能电池（DSSC）
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
DSSC原理示意图：
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。
聚光型太阳能电池
追日聚光型太阳能 电池太阳能
太陽能材料對光譜的吸收能力表
矽(Si)與砷化鎵(GaAs)對溫度的發電轉換效率比較
染料敏化太阳电池制成的“太阳叶”
太阳叶结构
通过调整敏化剂颜色获得的太阳叶
聚光太阳电池
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
聚光太阳电池
聚光型太阳能电池 (Concentrator Photovoltaic) 高聚光镜面菲涅尔透镜(Fresnel Lenes)] 太阳光追踪器(Sun Tracker)] 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。
CuInSe2黄铜矿晶格结构
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 高阻ZnO
低阻AZO
CIGS薄膜太阳能电池的结构
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
常用太阳电池材料的光吸收系数
CdTe薄膜太阳能电池的缺点
• Te是稀缺材料 • Cd本身有毒
Cd
CdTe薄膜太阳能电池的结构
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
近空间升华（CSS）
小面积单体电池研 究机构
Matsushita USF SCI CSM NREL 大面积单体电池研 究机构 BP Solar