CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备
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• 金属栅电极:用作铝电极，用电子束
• •
蒸发法制备. 减反射膜:作用是增加入射率，减少 电池表面光反射的损失,增加光透过 率。 窗口层:N型窗口层不仅与CdS缓冲 层一起构成了异质结的n型部分,而 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,且 透光性好。 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pn 结的n型半导体。 吸收层：作为pn结的p型半导体， 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。 CIGS必须有足够的厚度，且缺陷少。
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。
CIGS薄膜太阳能电池层状结构
CIGS电池各层的制备
• 衬底：衬底一般采用玻璃,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 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,多 层薄膜叠加形成P一N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 实现。电池的衬底一般采用含钠的CorningGlaSS,为CIGS 吸收层提供适量的钠源，适量的金属钠元素对于CIGS电池 的填充因子有着很大的提高。
• •
磁控溅射
• 溅射镀膜,主要是利用高速运动的等
离子体,轰击IE材表面,与靶材粒子 进行能量和动量交换,具有高能量的 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。磁控 溅射就是在阴极祀材后方安装永久 磁铁或电磁线圈,磁力线先穿出IE面, 然后变成与电场方向垂直,最终返回 IE面。靶面电子的运动受到电场和 磁场的共同作用,产生回旋运动,其 轨迹是一圆滚线。由于离子在表面 做往复运动,增加了电离碰撞的次数, 使得惰性气体原子可以在一个比较 低的工作气压下维持放电,产生的高 速离子轰击祀材并溅射出高能量的 粒子,最终在基片上沉积成膜。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及 制备
作者： 班级： 学号：
太阳能电池分类
• 晶硅电池：单晶硅电池（cSi）、多晶硅电池（p-Si） ； 转化率高（最高达24.7%），成 本高 • 硅基薄膜电池：成本低，非晶 硅薄膜电池（a-Si）有光致衰 退效应致使其性能不稳定,多晶 硅薄膜电池（ploy-Si）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 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)
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。
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)
Mo电极SEM分析
CIGS薄膜SEM片
CIGS薄膜SEM分析Fra bibliotek• 由图3.1 (a)可知,室温下溅射的CIGS薄膜虽然表面平整,
但并未结晶,薄膜的附着力非常差,很容易脱落。提高衬 底温度,薄膜开始结晶。在320℃时(图3.1(b)),薄膜已 经 始晶化,晶粒逐渐增大,但表面疏松,晶粒间隙大,致 密性差。继续提高温度至420℃(图3.1(d)),薄膜晶粒间 隙变小,致密性也得到较大的改善,但是薄膜性质的稳定 性较差,薄膜表面偶尔会出现微米柱。图3.1(c)是实际 衬底温度为370℃,溅射气压为0.5Pa,靴基距为5cm,溅射 功率为160W时溅射的CIGS薄膜SEM照片。370°C下溅射 的薄膜晶界明显,晶粒尺寸均勻且致密,表面光滑平整, 无微米柱及突起。这说明,实际衬底温度为370℃ 时,CIGS薄膜的致密性和平整度得到较大的改善。
120W, (c,f)160W
谢谢！
• •
蒸发法制备. 减反射膜:作用是增加入射率，减少 电池表面光反射的损失,增加光透过 率。 窗口层:N型窗口层不仅与CdS缓冲 层一起构成了异质结的n型部分,而 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,且 透光性好。 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pn 结的n型半导体。 吸收层：作为pn结的p型半导体， 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。 CIGS必须有足够的厚度，且缺陷少。
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。
CIGS薄膜太阳能电池层状结构
CIGS电池各层的制备
• 衬底：衬底一般采用玻璃,也有的采用不同材料的柔性箔
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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 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,多 层薄膜叠加形成P一N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 实现。电池的衬底一般采用含钠的CorningGlaSS,为CIGS 吸收层提供适量的钠源，适量的金属钠元素对于CIGS电池 的填充因子有着很大的提高。
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磁控溅射
• 溅射镀膜,主要是利用高速运动的等
离子体,轰击IE材表面,与靶材粒子 进行能量和动量交换,具有高能量的 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。磁控 溅射就是在阴极祀材后方安装永久 磁铁或电磁线圈,磁力线先穿出IE面, 然后变成与电场方向垂直,最终返回 IE面。靶面电子的运动受到电场和 磁场的共同作用,产生回旋运动,其 轨迹是一圆滚线。由于离子在表面 做往复运动,增加了电离碰撞的次数, 使得惰性气体原子可以在一个比较 低的工作气压下维持放电,产生的高 速离子轰击祀材并溅射出高能量的 粒子,最终在基片上沉积成膜。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及 制备
作者： 班级： 学号：
太阳能电池分类
• 晶硅电池：单晶硅电池（cSi）、多晶硅电池（p-Si） ； 转化率高（最高达24.7%），成 本高 • 硅基薄膜电池：成本低，非晶 硅薄膜电池（a-Si）有光致衰 退效应致使其性能不稳定,多晶 硅薄膜电池（ploy-Si）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 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)
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。
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)
Mo电极SEM分析
CIGS薄膜SEM片
CIGS薄膜SEM分析Fra bibliotek• 由图3.1 (a)可知,室温下溅射的CIGS薄膜虽然表面平整,
但并未结晶,薄膜的附着力非常差,很容易脱落。提高衬 底温度,薄膜开始结晶。在320℃时(图3.1(b)),薄膜已 经 始晶化,晶粒逐渐增大,但表面疏松,晶粒间隙大,致 密性差。继续提高温度至420℃(图3.1(d)),薄膜晶粒间 隙变小,致密性也得到较大的改善,但是薄膜性质的稳定 性较差,薄膜表面偶尔会出现微米柱。图3.1(c)是实际 衬底温度为370℃,溅射气压为0.5Pa,靴基距为5cm,溅射 功率为160W时溅射的CIGS薄膜SEM照片。370°C下溅射 的薄膜晶界明显,晶粒尺寸均勻且致密,表面光滑平整, 无微米柱及突起。这说明,实际衬底温度为370℃ 时,CIGS薄膜的致密性和平整度得到较大的改善。
120W, (c,f)160W
谢谢！