CIGS薄膜太阳能电池的制备

CIGS薄膜太阳能电池的制备报告人：王满小组成员：何庆吴敏李纪高韶华游志成内容概要CIGS薄膜太阳能电池的介绍太阳能电池工作机理CIGS薄膜几种常规的制备方法总结CIGS太阳能电池材料CIGS薄膜材料是一种重要的太阳能光电材料优点这种材料的光吸收吸收系数较大，达到105cm-1，而且只需1-2um厚的薄膜就可以吸收99%以上的太阳光，节省原材料，符合资源节约型社会的建设。随着Ga/In+Ga的比例不同，其禁带宽度可以在1.0ev到1.7ev之间变化，有利于叠层太阳能电池的制备。且光电转换效率高，目前已正式报道的转换效率高达19.5%。缺点由于CIGS薄膜材料是多元组成的，元素配比敏感，多元晶体结构复杂，与多层界面配比困难，使得材料制备精度要求、重复性要求和稳定性要求都很高，因此材料制备的技术难度高。CIGS薄膜太阳能电池的结构Al栅极：顶电极（负极）ZnO(Al):窗口层（500nm）i-ZnO:异质结N层(50nm)CdS:缓冲层(50nm)p-CIGS:异质结P层(2000nm)Mo:背电极（800nm）太阳能电池工作原理在光照下在P-N结处产生空穴电子对，这样空穴就向下扩散，电子向上扩散，这样就产生了电流几种常见的制备CIGS薄膜的方法蒸发法—分为一步法、两步法和三步法a)一步法：就是多源共蒸法，一次完成CIGS薄膜b)两步法：第一步是在500℃的衬底温度下共蒸发Cu、In、Ga、Se形成CIGS/CuxSe，为共蒸发阶段;第二步，将衬底温度升高到550℃后，同时蒸发In、Ga、Se，形成CIGS薄膜c)三步法：第一步沉底温度为350℃左右蒸发In和Ga，形成In2Se3、Ga2Se3。三族硒化物，第二步在沉底温度为560℃左右蒸发Cu，形成富Cu的CIGS薄膜;第三步沉底温度仍为560℃左右蒸发少量In和Ga，不但消除了表面的Cu2-xSe，而且表层形成了富Ga、In的硒化物，形成有序缺陷层，为过渡层的二族的Gd原子扩散掺杂提供了空位，形成强N型的浅埋结，有效地改善异质结界面特性，而且可实现表面Ga的梯度分布，修正能带失调置△Ec，减少载流子的界面复合，提高电池的开路电压共蒸发试验室设备示意图蒸发法的优点金属元素在不同衬底温度下的硒气氛中反应蒸发，边蒸发边反应，不仅结晶状态好，形成柱状的大晶粒，而且金属Ga很容易掺杂，并可按照要求梯度分布，由此形成能带结构为抛物线结构，目前CIGS电池转换效率的世界记录19.5%、填充因子的最高记录81.1%都是由此方法制备的缺点工业化生产不容易实现精确控制元素的蒸发量，以保证合适的元素配比以及大面积的均匀性，因此对蒸发设备要求极高溅射硒化法分为两个过程，即溅射金属预制层和后硒化两个阶段。金属预制层首先是在覆盖钼薄膜的玻璃衬底上溅射沉积Cu、In、Ga预制层。硒化一般采用固态硒化源进行硒化。优点成本低、安全无毒、设备和工艺容易实现，得到人们广泛的关注。缺点CIGS的薄膜中的Ga的浓度难以实现V型的分布，必须通过增加硫化工艺，利用部分的S代替Se。虽然硫化工艺能使Ga成V型分布，但是容易在CIGS薄膜界面和晶界中生成CuSe二元相，增加了载流子的复合，降低了电池的光电转换效率。光硒化法制备CIGS薄膜材料工艺路线光硒化法是在后硒化法基础上，在玻璃表面上溅射金属Mo作为寸底，Ga层采用蒸发的方法，Cu，In层的沉积采用溅射法合成膜，按照原子的配比分别控制Cu，In，Ga薄膜厚度比，在后硒化处理时增加特定光源光照，在光能和加热的同时进行硒化法处理。光硒化法制备CIS与CIGS薄膜的工艺流程光硒化法制备CIS与CIGS薄膜的设备的构造图Ga的蒸发预抽真空到2×10-3Pa，移动携带寸底的（玻璃+Mo）的小车到正对Ga舟的位置，寸底温度保持室温，缓慢加热Ga舟至发红透亮且Ga呈熔融态，温度在700℃时开始蒸发Ga，时间大约是10分钟左右，其厚度在100nm左右In和Cu的溅射在Ar气压强为3.0Pa左右，寸底温度在室温条件下，调节溅射功率，对Cu、In靶进行10分钟的预溅射，然后在In靶位置来回移动小车，扫描30趟，溅射510nm的In，然后在Cu靶位置来回扫描4趟，溅射120nm的Cu。最后盖上挡板。硒化打开光源加热Se源使温度升到180℃左右关闭光照，Se开始蒸发，此时将小车移到Se源的上方，寸底温度保持在室温2-3分钟后，寸底开始加热，当寸底温度升至300℃，再次打开光照。并在寸底温度达到450℃的时候再次关闭光源。此时依靠寸底加热器的烘烤和Se源本身的热容量，Se源温度保持在210℃左右，寸底温度继续升高到500℃左右，硒化30分钟，再将寸底加热温度调小缓慢降至450℃时关闭加热器，同时小车移出Se源位置。这时就得到我们所需的CIGS膜。总结从以上的几种制备CIGS多晶薄膜的方法来看，它们都有自己的缺点．归其原因，是因为我们的研究学者还没有完全的搞清楚CIGS多晶薄膜的一些很基础的问题．因此为了彻底的解决CIGS多晶薄膜合成中的一些问题，我认为我们研究者们在进行工艺化的研究的同时，应该加强对CIGS多晶薄膜机理的研究．参考文献[1]GrowthofpolycrystallineCIGSthinfilmsusingaradiofrequency-crackedSe-radicalbeamsourceandapplicationforphotovoltaicdevicesA.P.L.91,041902(2007)[2]SchockHW，NoufiR.CIGS-basedsolarceilsforthenextmillennium[J]．FrogPhotovoltRes，2000，8:151[3]溅射预制层固态源硒化法制备CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳电池，李伟，南开大学[4]KronikL，RauU，GuillemolesJF，eta1.InterfaceredoxengineeringofCIGS一basedsolarceils—oxygen，sodiurn，andchemicalbatheffects[J]．ThinSolidFilms，2000，361-362：353人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。