CIGS薄膜太阳能电池
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• 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
ＣＩＧＳ 薄膜太阳 能电池发 展的历程
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
CIGS的晶体结构
CuInSe2黄铜矿晶格结构
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
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)
光
内建电场
光生电流（电压）
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
• 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）,
• 考虑太阳能为绿色的能源和环境驱动因素,发展前 景将会十分广阔。
CIS 薄膜的制备
• CIS薄膜的制备方法多种多样,大致可以归为三类: CuIn的 合金过程和Se化分离；Cu、In、Se一起合金化； CuInSe2化合物的直接喷涂。
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。
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
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
CIGS薄膜太阳能电池的优点
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
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;
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
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.
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
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.
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、
• 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.
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。
• 主要的制备技术包括:真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化 学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷 射热解等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效率 最高。另外,电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到 了广泛研究,有相当的应用前景
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%
• 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
ＣＩＧＳ 薄膜太阳 能电池发 展的历程
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
CIGS的晶体结构
CuInSe2黄铜矿晶格结构
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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
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)
光
内建电场
光生电流（电压）
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
• 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）,
• 考虑太阳能为绿色的能源和环境驱动因素,发展前 景将会十分广阔。
CIS 薄膜的制备
• CIS薄膜的制备方法多种多样,大致可以归为三类: CuIn的 合金过程和Se化分离；Cu、In、Se一起合金化； CuInSe2化合物的直接喷涂。
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。
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
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
CIGS薄膜太阳能电池的优点
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
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;
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
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.
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
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.
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、
• 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.
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。
• 主要的制备技术包括:真空蒸镀、电沉积、反应溅射、化 学浸泡、快速凝固技术、化学气相沉积、分子束外延、喷 射热解等。其中蒸镀法所制备的CIS太阳能电池转换效率 最高。另外,电沉积工艺也以其简单低廉的制作过程得到 了广泛研究,有相当的应用前景
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%