第九讲-CIGS薄膜太阳能电池PPT课件
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《薄膜太阳电池》课件
在光照下，光子被吸收 并传递给电子，电子和 空穴分别向导带和价带 跃迁，形成光生电流。 随后，电子和空穴分别 被传输到金属电极并收 集起来，形成输出电流 。
薄膜太阳电池的结构和 工作流程决定了其能量 转换效率、开路电压和 短路电流等性能参数。
03 薄膜太阳电池的 材料
硅基薄膜太阳电池
总结词
高效稳定，技术成熟
THANKS
感谢观看
随着移动设备的普及和能源需求的增长，移动能源系 统的发展前景广阔。
未来发展前景与挑战
随着技术的不断进步和应用领域的拓展，薄膜太阳电池的发展前景广阔。
未来，薄膜太阳电池将更加注重提高光电转换效率、降低成本、优化组件制造工艺等方面的 发展。
同时，薄膜太阳电池也面临着市场竞争力、政策支持、并网技术等方面的挑战，需要不断加 强技术创新和市场推广。
在薄膜太阳电池中，光子首先被 吸收并传递给电子，电子从价带
跃迁到导带，形成光生电流。
光电效应是薄膜太阳电池的基本 工作原理之一，它决定了电池的
能量转换效率。
光伏效应
光伏效应是指光生电压或电流的现象 ，即当光照射在半导体材料上时，半 导体的导电性能发生变化，产生电压 或电流。
光伏效应是薄膜太阳电池的基本工作 原理之一，它决定了电池的开路电压 。
真空沉积技术包括真空蒸镀、 电子束蒸镀和离子束溅射等。
真空沉积技术具有较高的沉积 速率和较好的大面积成膜质量 ，适用于制备高性能的薄膜太 阳电池。
化学气相沉积技术
化学气相沉积技术是通过化学反应将气态物质转化为固态薄膜的一种技术。
化学气相沉积技术包括常压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积和金属有机 化学气相沉积等。
《薄膜太阳电池》PPT课件
CIGS薄膜太阳能电池共22页
CIGS的材料特性
Ga/(Ga+In)比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖1.0 一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满足下列公式：
CuIn1-xGaxSe2能隙： Eg=1.02+0.67x-0.14x(1-x)eV
试验中选择的x既要考虑增加禁带宽度使其更适合于 AM1.5的太阳光谱，也要考虑收集效率以及光谱响应范 围。转换率较高的x范围是0.25<Ga/(Ga+In)<0.33
随着Cu／In比例的增大，薄膜的方块电阻减小
高效率CIGS吸收层特征
高吸收率的Ga分布
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
低阻AZO 高阻ZnO
金属背电极Mo 玻璃衬底
CIGS薄膜太阳能电池的结构
CIGS薄膜太阳能电池异质结能带图
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/cm量级
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
结构原理
孔洞:该缺陷的形成可能与挥发相Il2se的 形成有关，加快元素se在预制膜中的扩散 可以避免该相形成
细小晶粒层:该细小晶粒层的出现与Ga元 素的富集有关
Mo（直流溅射双层膜）
要求： 1.与CIGS形成良好欧姆接触 2.与CIGS的晶格失配较小且
膨胀系数与CIGS比较接近 3.较好的反光性能 4.电阻率小且与玻璃基板的附着性好
非晶硅薄膜太阳能电池PPT课件
• 有机薄膜太阳能电池
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• 其他
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薄膜太阳能电池用导电银胶银浆（一）
• 太阳能电池导电银胶导电银浆型号及用途
• UNINWELL国际作为世界高端光电胶粘剂的领导品牌，公司以“您身边的 高端光电粘结防护专家”为服务宗旨。公司开发的导电银胶、导电银浆、 红胶、底部填充胶、TUFFY胶、LCM密封胶、UV胶、各向异性导电胶、 太阳能电池导电浆料等九大系列光电胶粘剂具有最高的产品性价比，公司 在全球拥有近百家世界五百强客户。最近，UNINWELL国际与上海常祥实 业强强联合，共同开发中国高端光电胶粘剂市场。 UNINWELL国际是全 球贴片胶产品线最齐全的生产企业，其产品性能优异,剪切力强,流变性也很 好,并且吸潮性低，适用于LED、大功率LED、LED数码管、LCD、TR、IC、 COB、PCBA、EL冷光片、显示屏、晶振、石英谐振器、晶体管、太阳能 电池、光伏电池、蜂鸣器、陶瓷电容等各种电子元件和组件的封装以及粘 结等。电子元器件、集成电路、电子组件、电路板组装、液晶模组、触摸 屏、显示器件、照明、通讯、汽车电子、智能卡、射频识别、电子标签、 太阳能电池等领域。
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• 低成本
• 单结晶硅太阳电池的厚度。
• 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体，化学 工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能电池的原材 料本约（效率高于6%）
• 且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍，大规模
生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太阳电池成本的
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非晶硅太阳能电池存在的问题
CIGS薄膜太阳能电池幻灯片PPT
转换效率:
太阳能电池的工作原理
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,降低昂贵的材料本钱
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正确匹配
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
因为存在内建电场， 使得电子在空间电荷区中 各点有附加电势能，从而 使结区的能带发生弯曲。
由于组成异质结的这 三种半导体材料的介电常 数不同，内建电场在不同 半导体材料的交界面是不 连续的，因此导带和价带 在界面处也不连续
CIGS薄膜太阳能电池异质结能带图
在坡型带隙构 造中，梯度带隙层 内存在内电场的作 用，使外表附近被 激发的少数载流子 向结方向漂移，缓 和了外表复合的影 响。
替代物：ZnS / ZnSe/In2S3
构造原理
CIGS(共蒸发法、后硒化法，共建立法〕
作用： 吸收区，弱p型，其空间电荷区为主要工作区
CIGS薄膜技术：单一相，结晶品质好 吸收层与金属有良好的欧姆接触，易制造 CIGS足够的厚度，且厚度小于载子扩散长度 CIGS为多晶构造，故要求缺陷少，降低复合速度 CIGS外表平整性好，促进良好接面状态
CIGS薄膜太阳能电池幻 灯片PPT
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太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理
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,降低昂贵的材料本钱
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正确匹配
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
因为存在内建电场， 使得电子在空间电荷区中 各点有附加电势能，从而 使结区的能带发生弯曲。
由于组成异质结的这 三种半导体材料的介电常 数不同，内建电场在不同 半导体材料的交界面是不 连续的，因此导带和价带 在界面处也不连续
CIGS薄膜太阳能电池异质结能带图
在坡型带隙构 造中，梯度带隙层 内存在内电场的作 用，使外表附近被 激发的少数载流子 向结方向漂移，缓 和了外表复合的影 响。
替代物：ZnS / ZnSe/In2S3
构造原理
CIGS(共蒸发法、后硒化法，共建立法〕
作用： 吸收区，弱p型，其空间电荷区为主要工作区
CIGS薄膜技术：单一相，结晶品质好 吸收层与金属有良好的欧姆接触，易制造 CIGS足够的厚度，且厚度小于载子扩散长度 CIGS为多晶构造，故要求缺陷少，降低复合速度 CIGS外表平整性好，促进良好接面状态
CIGS薄膜太阳能电池幻 灯片PPT
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太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备 ppt课件
不同溅射功率下制备的CIGS薄膜的SEM表面和截面照片
• (a,d) 80W, (b,e) 120W,
(c,f)160W
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制 备
谢谢！
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制 备
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制 备
太阳能电池的短路电流既 光生电流，是指在一定的 温度和辐照度条件下，光 伏发电器在端电压为零时 的输出电流。分析短路电 流最直接的方法就是对不 同波段的光所产生的光生 电子空穴对数量进行积分 ，并计算出每一波段所产 生的电流，将电流求和， 最终得到的总电流就是其 短路电流。
吸收层CIGS(化学式CuInGaSe2)是 薄膜电池的核心材料,属于正方晶系 黄铜矿结构。具有复式晶格,晶格常 数a=0.577nm,c=1.154nm。作为 直接带隙半导体,其光吸收系数高达 10^5量级(几种薄膜太阳能材料中 较高的)。禁带宽度在室温时是 1.O4eV,电子迁移率和空穴迁移率 分别为3.2X10^2(cm2/V·S)和 1X10(cm2/V·S)
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制 备
370℃时制备的CIGS薄膜的XRD图
• 结论：370℃溅射的
CIGS薄膜致密均匀,光 滑平整,结晶性较好,具 有较强的(220)/(204) 面择优取向。在磁控 溅射的过程中,适当的 提高衬底的温度,可以 获得结晶性较好的薄 膜。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制 备
采用玻璃,也有的采用不同材料的柔性箔
片作为材料。
• 背电极：在洁净的衬底上沉积1到1.5um的金属铝 • 吸收层：在铝电极上沉积1.6到2.0um的CIGS • 缓冲层：在吸收层上依次制备厚60一100nm的硫化锡 • 窗口层：在缓冲层上沉积100nm左右的本征氧化锌层 • 减反层和铝电极：沉积厚600nm左右的掺铝氧化锌层和银
《CIGS薄膜电池》课件
随着技术的不断创新改进，CIGS薄膜电池的功率转换效率大幅提升，逐渐投入商业生产 和应用。
CIGS薄膜电池的组成
铜
铜是CIGS薄膜电池的基础材 料之一，具有良好的导电性 和光吸收能力。
铟
铟是CIGS薄膜电池中镓硒化 物材料的关键组成部分，能 够提高电池的效能。
镓硒化物
镓硒化物是CIGS薄膜电池的 光吸收层，承担了将太阳能 转化为电能的重要任务。
《CIGS薄膜电池》PPT课 件
CIGS薄膜电池是一种基于铜铟镓硒化物的太阳能电池技术，具有高效能和灵 活性的特点，正在引起全球能源领域的关注。
CIGS薄膜电池的介绍
高效能
CIGS薄膜电池能够将太阳能转化为电能的效率较高，为可再生能源的发展做出了重要贡献。
灵活性
由于其柔性和轻薄特性，CIGS薄膜电池可以应用于各种形状和曲面结构，为可穿戴设备和建 筑一体化提供了新的可能。
航天应用
CIGS薄膜电池具有轻薄灵活的特点，适用于航 天器等特殊环境下的能源供应。
C广阔的市场前景和发展潜力。随 着技术的进一步提升，其效能和成本将进一步优化，推动可再生能源的普及 和应用。
• 可靠性：CIGS薄膜电池的材料稳定性和长寿命保证了电池的可靠性。
CIGS薄膜电池的应用
建筑一体化
CIGS薄膜电池可以嵌入建筑中的玻璃、屋顶等 部位，提供清洁能源。
可穿戴设备
CIGS薄膜电池的柔性特性使其适用于可穿戴设 备，为移动充电提供便利。
交通工具
CIGS薄膜电池可以安装在汽车、摩托车等交通 工具上，为电动驱动提供能源。
长寿命
CIGS薄膜电池中的铜铟镓硒化物材料具有良好的稳定性和耐久性，可以保证电池的长期可靠 性。
CIGS薄膜电池的历史
《薄膜太阳能电池》幻灯片
地熱
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
CdTe Film Deposition
Rooftop CdTe薄膜太陽電池“Cadmium TellurideThin-film Solar Cell”
SAGFirst Solar ----CdTe Rooftop
• CIGS非真空製程技術雖具有降低成本以及提高材料使用率的 優點，但各方式都具有難以克服的關鍵問題皆仍待解決。如 CIGS晶粒成長…等。結
瓶頸
CIGS薄膜太陽能電池雖具有高效率、低本钱、大面積與可撓性等 潛力優勢，但還有許多需要抑制的問題接踵而來： 製程複雜、技術選擇百家爭鳴，且供應練相當分歧，各站並無制 式化設備放大製程之均質性不佳，良率變化大
Need of raw material
Thin-film solar cells
非晶矽薄膜太陽電池製造流程
非晶矽薄膜太陽電池製造流程( 玻璃基材)
非晶矽薄膜太陽電池製造流程 (玻璃基材)
Thin film Si:H challenges
➢Increasing deposition rate (from 0.1 nm/s to 10 nm/s!), including compatible doped layers ➢Enhance the Isc (absorption, light trapping) ➢Improving stabilized device performance ➢Understanding fundamental physics: low Voc, shunt behavior, light-induced defect creation
GaAs Multijuction(多接面砷化 鎵)
铜铟稼硒太阳能电池 ppt课件
2005年是CIGS薄膜电池产业化快速发展的一年。日本的Showa Shell和Honda Motor分别建立了20MW/a和27.5M W/a的生产线。德国 Wurth公司的15MW生产线也宣布投产，到2007年CIGS电池全球产能达 到了70MW。然而，与其他材料光伏电池相比，CIGS薄膜电池的发展 是处于中试向产业化开发阶段。大面积CIGS薄膜电池的研究进展见表 6.2，其中包括了目前生产线制造出的最高水平CIGS电池组件。从表中 可以看出，以CIGS组件效率已经接近晶体压组件水平，近一步的发展 需要提高电池的产量和成品率。
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小面积CIGS薄膜太阳电池性能得以显著提高的主要原因:①S和Ga的掺人
不仅增加了吸收层材料的带隙，还可控制其在电池吸收层中形成梯度带隙
分布，调整吸收层与其他材料界面层的能带匹配，优化整个电池的能带结
构。②用CBD法沉积CdS层和双层ZnO薄膜层取代蒸发沉积厚CdS窗口层
吸收层沉积工艺容忍度，梯度带隙的引入库增加了开路电压而保持着电流 密度，为CIGS薄膜电池效率的进一步提高奠定了基础。
1994年，美国国家可再生能源实验室 (NREL)在小面积CIGS电池研究 领域取得突破，这主要归因于“三步共蒸发工艺”的成功应用。1994年， 使用“三步法工艺”制备的CIGS太阳电池的转换效率达到了15.9%.器件 结构如图6.4所示，这也是至今为止高效率CIGS薄膜电池的典型结构。 1994年至今， NREL研制的小面积CIGS电池处于绝对领先地位，电池效 率稳步提高，见表6.1。2008年报道的转换效率达到了19.9%，是当前世界 上转换效率最高的薄膜太阳电池。
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小面积CIGS薄膜太阳电池性能得以显著提高的主要原因:①S和Ga的掺人
不仅增加了吸收层材料的带隙，还可控制其在电池吸收层中形成梯度带隙
分布，调整吸收层与其他材料界面层的能带匹配，优化整个电池的能带结
构。②用CBD法沉积CdS层和双层ZnO薄膜层取代蒸发沉积厚CdS窗口层
吸收层沉积工艺容忍度，梯度带隙的引入库增加了开路电压而保持着电流 密度，为CIGS薄膜电池效率的进一步提高奠定了基础。
1994年，美国国家可再生能源实验室 (NREL)在小面积CIGS电池研究 领域取得突破，这主要归因于“三步共蒸发工艺”的成功应用。1994年， 使用“三步法工艺”制备的CIGS太阳电池的转换效率达到了15.9%.器件 结构如图6.4所示，这也是至今为止高效率CIGS薄膜电池的典型结构。 1994年至今， NREL研制的小面积CIGS电池处于绝对领先地位，电池效 率稳步提高，见表6.1。2008年报道的转换效率达到了19.9%，是当前世界 上转换效率最高的薄膜太阳电池。
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CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备ppt
03
cigs薄膜太阳能电池制备工艺
制备步骤及主要设备
准备阶段
选择合适的衬底，进行抛光处理和清洗。
薄膜制备
利用化学气相沉积或物理气相沉积技术，在衬底上制备 吸收层。
制绒处理
通过化学或物理方法，对吸收层表面进行处理，形成绒 面结构。
薄膜层制备
在制绒处理后的吸收层表面上制备薄膜层。
测试与封装
进行性能测试和可靠性验证，封装成完整的太阳能电池 。
高光电转换效率
CIGS薄膜太阳能电池的光电转换效 率较高，可达到15%以上。
长寿命
CIGS薄膜太阳能电池具有长寿命和 稳定的性能表现，可达到20年以上 。
良好的耐候性
CIGS薄膜太阳能电池具有良好的耐 候性，可在各种恶劣环境下使用。
绿色环保
CIGS薄膜太阳能电池生产过程中不 产生有害物质，同时报废后易于回 收利用。
可以利用cigs薄膜太阳能电池为环境监测设 备供电，同时监测设备的传感器可以实时监 测环境参数。
06
结论与展望
主要研究结论
建立了基于MOFs的Cigs薄膜太阳能电池的制备方案 揭示了Cigs薄膜的形貌、结构与光电性能之间的关系
确定了最佳制备条件，包括前驱体浓度、热解温度和 气氛等
发现Cigs薄膜太阳能电池的效率达到10%以上，具有 较高应用前景
压力
化学气相沉积和物理气 相沉积过程中，压力会 影响薄膜的致密性和晶 体结构。
气体流量与组 成
化学气相沉积过程中， 气体流量与组成会影响 薄膜的成分和结构。
沉积时间
化学气相沉积和物理气 相沉积过程中，沉积时 间会影响薄膜的厚度和 晶体结构。
激光功率与扫 描速度
制绒处理过程中，激光 功率与扫描速度会影响 绒面结构和吸收性能。
薄膜太阳能电池课件
• 薄膜太阳能电池中硅基薄膜电池、碲化镉（CdTe）薄膜电池、砷化镓（GsAs）薄膜电池、 铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池属于第二代太阳能电池，起步较早，且技术已经达到较高的成 熟度，不仅在实验室取得丰硕的研究成果，而且已投入使用并占一定的市场份额。
PPT学习交流
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铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池包括铜铟硒 （CIS）、铜铟镓硒（CIGS）、铜铟镓硒硫（CIGSS） 系列。
由6层薄膜构成，从下到上依次是： 0.5-1.5μm厚的金属钼(Mo)背电极层， 1.5-2μm的CIGS吸收层， 50nm的硫化锌(ZnS)缓冲层， 50nm的本征氧化锌(ZnO)层， 0.5-1.5μm的ZnO:Al(TCO)透明电极 0.1μm的氟化镁(MgF2)薄膜减反层。
CIGS太阳能电池结构示意图
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吸收层CIGS（CuInGaSe2）是薄膜电池的 核心吸光材料，属于正方晶系黄铜矿结 构，为p型半导体，光生载流子主要在这 里生成。 通过掺杂适量Ga到CuInSe，以Ga代替部 分同族In的位置，如果调整Ga的成分比 例，即可形成梯度带隙半导体（而CIS为 直接带隙半导体），产生背表面场， 则获得更多的输出电流，从而大大提高 其性能。 ZnS为n型半导体，与CIGS形成p-n结构。
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CIGS黄铜矿和ZnS闪锌矿的结构 8
CIGS薄膜太阳能电池的基本工作原理
• 以CIGS薄膜作为P型区，以ZnS、i-ZnO、TCO薄膜共同构成n型区。 • 形成的机理主要是P区和n区多子的相互扩散，最终达到动态平衡形成内建场。E是内建场，使得产生
的空穴-电子对分离的动力。 • 内建场使得P型区的费米能级上移，n型区的费米能级下移，形成p-n结统一的准费米能级。当能量大
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铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池包括铜铟硒 （CIS）、铜铟镓硒（CIGS）、铜铟镓硒硫（CIGSS） 系列。
由6层薄膜构成，从下到上依次是： 0.5-1.5μm厚的金属钼(Mo)背电极层， 1.5-2μm的CIGS吸收层， 50nm的硫化锌(ZnS)缓冲层， 50nm的本征氧化锌(ZnO)层， 0.5-1.5μm的ZnO:Al(TCO)透明电极 0.1μm的氟化镁(MgF2)薄膜减反层。
CIGS太阳能电池结构示意图
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吸收层CIGS（CuInGaSe2）是薄膜电池的 核心吸光材料，属于正方晶系黄铜矿结 构，为p型半导体，光生载流子主要在这 里生成。 通过掺杂适量Ga到CuInSe，以Ga代替部 分同族In的位置，如果调整Ga的成分比 例，即可形成梯度带隙半导体（而CIS为 直接带隙半导体），产生背表面场， 则获得更多的输出电流，从而大大提高 其性能。 ZnS为n型半导体，与CIGS形成p-n结构。
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CIGS黄铜矿和ZnS闪锌矿的结构 8
CIGS薄膜太阳能电池的基本工作原理
• 以CIGS薄膜作为P型区，以ZnS、i-ZnO、TCO薄膜共同构成n型区。 • 形成的机理主要是P区和n区多子的相互扩散，最终达到动态平衡形成内建场。E是内建场，使得产生
的空穴-电子对分离的动力。 • 内建场使得P型区的费米能级上移，n型区的费米能级下移，形成p-n结统一的准费米能级。当能量大
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铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳 能电池
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CIGS 薄膜太阳能电池
这种以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称 为铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是： Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结 构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背 电极/玻璃） CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和 CuGaSe2的混晶半导体。
• 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.
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CIGS太阳能电池研究现状
• 在20世纪90年代, CIGS薄膜太阳能电池得到长足 的发展, 日本NEDO（新能源产业技术开发机构） 的太阳能发电首席科学家东京工业大学的小长井 诚教授认为: 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代 太阳能电池的首选, 并且是单位重量输出功率最高 的太阳能电池。
ＣＩＧＳ 薄膜太阳 能电池发 展的历程
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3
太阳能电池的分类
按
硅基太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS
制
备
多元化合物薄膜
材
太阳能电池
料 的 不
有机聚合物太阳 能电池
目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池
同
纳米晶太阳能电池
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5
CIGS的晶体结构
CuInSe2黄铜矿晶格结构
CuInSe2复式晶
.
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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、
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
.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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CIGS薄膜电池的异质结机理
• CIGS电池的实质：窗口-吸收体结构的异质p-n结 太阳能电池
N区
ZnO (n) (3.2eV)
CdS (n) (2.4eV)
CIGS(弱p) (1.0~1.7eV)
• 所谓第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大 规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜 太阳能电池（注：第一代为单晶硅太阳能电池， 第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电池）,
CIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随 着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。
当x=Ga/(Ga+In)<0.3时，随着的增加，Eg增加， Voc也 增加;
x=0.3时带隙为1.2eV;当x>0.3时，随着x的增加，Eg减小， Voc也减小。
G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最 好。
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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
光
内建电场
光生电流（电压） .
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CIGS能带的失调值对电池的影 响
电子亲合能不同,产生导带底失调值 △Ec和价带失调值△Ev
禁带宽度可调: △Ec>0或<0
讨论:对负的△Ec而言，由于窗口 层和吸收层界面之间的复合，将降 低开路电压; △Ec>0的能带结构对 提高电池的转换效率有利。当 △Ec>O.5eV以后，开路电压明显 下降，同时短路电流也急剧下降.高 效电池△Ec的理想范围在0-0.4eV 之间，一般以0.2-0.3ev为宜
.
8
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
低阻AZO 高阻ZnO
金属背电极Mo
.
玻璃衬底
9
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
CIS中存在上述的本征缺陷， 影响薄膜的电学性质 .Ga的 掺入影响很小.
.
7
CIGS的光学性质及带隙
• CIS材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在 1.02eV-2.7eV范围变化，覆盖了可见太阳光谱
In/Ga比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖 1.0一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满 足下列公式其中，b值的大小为0.15一0.24eV
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%
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.
6
富CCu薄I膜G始S终是的p型电，而富学In薄性膜则质既可及能 主要缺陷
为p型，也可能为n型。n型材料在较高Se蒸 气压下退火变为p型传导;相反，p型材料在较 低Se蒸气压下退火则变为n型
.
1
CIGS 薄膜太阳能电池
这种以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称 为铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是： Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结 构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背 电极/玻璃） CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和 CuGaSe2的混晶半导体。
• 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.
.
13
CIGS太阳能电池研究现状
• 在20世纪90年代, CIGS薄膜太阳能电池得到长足 的发展, 日本NEDO（新能源产业技术开发机构） 的太阳能发电首席科学家东京工业大学的小长井 诚教授认为: 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代 太阳能电池的首选, 并且是单位重量输出功率最高 的太阳能电池。
ＣＩＧＳ 薄膜太阳 能电池发 展的历程
.
3
太阳能电池的分类
按
硅基太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS
制
备
多元化合物薄膜
材
太阳能电池
料 的 不
有机聚合物太阳 能电池
目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池
同
纳米晶太阳能电池
.
4
.
5
CIGS的晶体结构
CuInSe2黄铜矿晶格结构
CuInSe2复式晶
.
2
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、
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
.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10
CIGS薄膜电池的异质结机理
• CIGS电池的实质：窗口-吸收体结构的异质p-n结 太阳能电池
N区
ZnO (n) (3.2eV)
CdS (n) (2.4eV)
CIGS(弱p) (1.0~1.7eV)
• 所谓第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大 规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜 太阳能电池（注：第一代为单晶硅太阳能电池， 第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电池）,
CIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随 着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。
当x=Ga/(Ga+In)<0.3时，随着的增加，Eg增加， Voc也 增加;
x=0.3时带隙为1.2eV;当x>0.3时，随着x的增加，Eg减小， Voc也减小。
G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最 好。
.
12
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
光
内建电场
光生电流（电压） .
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CIGS能带的失调值对电池的影 响
电子亲合能不同,产生导带底失调值 △Ec和价带失调值△Ev
禁带宽度可调: △Ec>0或<0
讨论:对负的△Ec而言，由于窗口 层和吸收层界面之间的复合，将降 低开路电压; △Ec>0的能带结构对 提高电池的转换效率有利。当 △Ec>O.5eV以后，开路电压明显 下降，同时短路电流也急剧下降.高 效电池△Ec的理想范围在0-0.4eV 之间，一般以0.2-0.3ev为宜
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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
低阻AZO 高阻ZnO
金属背电极Mo
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玻璃衬底
9
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
CIS中存在上述的本征缺陷， 影响薄膜的电学性质 .Ga的 掺入影响很小.
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CIGS的光学性质及带隙
• CIS材料是直接带隙材料，Cu(In,Ga,Al)Se2,其带隙在 1.02eV-2.7eV范围变化，覆盖了可见太阳光谱
In/Ga比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖 1.0一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满 足下列公式其中，b值的大小为0.15一0.24eV
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%
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.
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富CCu薄I膜G始S终是的p型电，而富学In薄性膜则质既可及能 主要缺陷
为p型，也可能为n型。n型材料在较高Se蒸 气压下退火变为p型传导;相反，p型材料在较 低Se蒸气压下退火则变为n型