铜铟硒薄膜太阳电池

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铜铟硒薄膜太阳电池

一、铜铟硒薄膜太阳电池的结构

铜铟硒(CuInSe2简称CIS)薄膜太阳电池具有高的转换效率、低的制造成本以及性能稳定而成为光伏界研究热点之一。CIS以玻璃为衬底介绍铜铟硒薄膜太阳电池的结构,CIS太阳电池是在玻璃或其他廉价衬底上分别沉积多层而构成的光伏器件,其结构为:光→金属Al栅状电极/窗口层(CdS)/金属背电极(Mo)/玻璃衬底。如图(一)。

图(一)CIS电池结构

CIS太阳电池已发展了不同的结构,主要差别在于窗口材料的选择,最早是用CdS作窗口,其禁带宽度为2.42eV,通过参入适量的ZnS,成为CdZnS材料,带隙有所增加。鉴于CdS对人体有害,大量使用会污染环境,而且材料本身带隙偏窄,近年来窗口层改用ZnO,带宽可达3.3eV,CdS只作为过渡层,其厚度大约几十纳米。为了增加光的入射率,在电池表面做一层减反膜MgF2,有益于电池效率的提高。

CIS电池与NREL的CIS电池光谱曲线的对照情况。从图(二)可以看出,太阳电池的光谱响应在近红外区增加而在蓝光区减少。较差的短波相应主要是由于Cds层较多的光吸收,而好的长波响应说明CIS层具有较低的禁带宽。如果要增加短波响应,首先要降低Cds层的厚度。而窗口层制备采用蒸发法,厚度和电阻率的要求很难兼得。国外报道的Cds层的制备大都采用水浴法,这是因为水浴法生长的膜更加致密,厚薄更易控制。

图(二)CIS太阳电池的光谱曲线

二、工作原理

太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏打效应就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时,就会在PN结的两边出现电压,叫做光生电压。可将太阳电池发电过程大致概括为4点:(1)光照射到太阳电池表面;(2)太阳电池吸收一定能量的光子,激发出非平衡载流子(电子和空穴对)。这些电子和空穴有足够的寿命,在它们被分离之前不会复合消失;(3)光生载流子在太阳电池内建电场的作用下,电子空穴对被分离,从而产生与内建电场相反的光生电场,即光生电压;(4)在太阳电池两侧引出电极,接上负载,则在外电路中会产生光生电流。

三、铜铟硒薄膜太阳电池的制备方法

制备方法大体分为两类:

(a):以Cu,In和Se作源进行反应蒸发,成为共蒸法。目前采用多元共蒸法成膜工艺,虽然可制备出高水平CIGS的电池,但元素的化学配比很难靠蒸发来精确控制,因而电池的良品率不高,产业化的实现比较困难,另外蒸发法其原料的利用率低,对于贵金属来说浪费大,不利于降低成本;

(b):先在基底上生长Cu,In层,在Se气氛中进行Se化,最终形成满足配比要求的CuInSe2多晶薄膜,称为硒化法。硒化法中,Cu,In的厚度按配比严格控制,成膜方法有溅射、蒸发和电沉积等等。硒化过程中使用的原料油H2Se+Ar (或H2)气体和Se+ H2固气混合体两种。H2Se气体剧毒,近年来以固态硒作源的硒化法被广泛采用。另外还有其他方法,都是在这两类基础上发展起来的,电池效率做得最高的方法是Cu+Se和In+Se分别共蒸后再硒化。

目前,发现硒化法中用磁控溅射法成膜更适合于工业化生产,因为:根据溅射速率和时间的控制,可以比较可靠地调节各元素的化学配比,有利于提高重复性;薄膜的致密性高,附着力是蒸发膜的数倍;溅射沉积的薄膜均匀性较好,有益于制造大面积的CIS电池;溅射靶材可连续使用较长时间,原料不用经常增添,生产效率较高;大面积磁控溅射成膜技术比较成熟,利于向工业界转移技术。

总之,硒化法师一种行之有效的方法,制备高质量的CIS膜是制备高效CIS

电池的保证,但整体效率的提高还需整体的配合及各环节的严格把关。玻璃基底的选择和钼衬底的制备是基础;在蒸Cu和In时保持少量Se的蒸发,并迅速升温至硒化温度是活的优质CIS膜的关键;窗口层和上电极也是获得高效电池不容忽视的部分。此外,刚制备出来的CIS电池,经测试,其暗态I-V特性基本是直线,开路电压V oc很低,短路电流密度也很小。退火后器件表现出二极管特性,开路电压增长几十倍短路电流也很大提高。由此表明,退火前异质结漏电严重,几乎没有结特性;而经过空气退火,减少了漏电,异质结才真正地建立起来,不仅有二极管特性,而且开路电压和短路电流都得到大幅度的提高。通过XRD(X

射线衍射)测试显示:经过退火的5片电池,有4片出现氧化亚铜峰,二而未经退火的CIS电池,却没有氧化亚铜峰值出现。这是由于CIS与Cds结区内的晶格缺陷及微空洞造成某些金属游离原子产生了短路,使得结区漏电严重,而空气退火使得这些金属原子被氧化而绝缘,减少了漏电,使得电池性能得到改善。CIGS 薄由于掺杂Ga元素,其结晶状况平整度和致密性都有很大改善,因此刚制备出来的CIGS电池的性能明显好于CIS电池。由此可见,注意薄膜材料的致密性是改善结特性的关键之一。

四、影响铜铟硒薄膜太阳电池光电转换效率的各种因素

(1)光学损失:由于光照射到电池板上,在正反两面发生的反射、透射等现象,或能量小于或大于半导体的禁带宽度的光子未被吸收。

(2)光激发电子空穴对的复合:复合损失不仅影响电流收集而且影响正向偏压注入电流。复合经常是按照它在电池中发生的区域分类。如在表面的复合称为表面复合,电池内部的复合称为体复合,体复合是电池的主要复合,在耗尽区的复合称为耗尽区复合。

五、提高光电转换效率的措施

(1)光照面使用减反膜;利用表面刻蚀减少反射;增加电池厚度提高光吸收;

(2)利用钝化技术减少表面缺陷从而降低表面复合,也可采用提高掺杂降低表面复合;

六、铜铟硒薄膜太阳电池特点

(1)光电转换效率高:美国国家可再生能源实验室(NREL)研制的CIS电池转换效率为18.8%,已接近多晶硅太阳电池最好水平;西门子公司(SSI)制造的大面积组件(3850cm2)效率为11.2%(输出43.1Wp),是薄膜太阳的最高记录;

(2)成本低:衬底使用玻璃或其它廉价材料,薄膜厚度仅为2-3μM,采用大面积连续化制造成膜工艺,生产量为1.5MWp的成本是晶体硅电池的1/3-1/2,能量偿还时间在一年之内,比晶体硅的4-5年大大缩短了时间;

(3)性能稳定:电池组件不存在光致衰退问题,西门子公司制备的CIS电池组件在NREL室外测试设备上考验7年其原有性能没有任何衰减;

(4)抗辐射能力强:美国贝尔公司作过电子、质子等辐照实验,温度交变实验,振动、加速试验,经过地面考核实验的同类电池装在Lips卫星上在空间运行一年,不但证明抗辐照性能好,而且稳定性也好,很有希望作为下一代空间电源的候选者。

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