碲化鎘銅銦鎵硒太陽能電池課件

2021/3/151碲化鎘太陽能電池2021/3/151碲化鎘太陽能電池2021/3/152CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)效率1963年CusanoN-CdTe/P-Cu2-xTe7%1969年AdirovichCdS/CdTe1991年T.L.ChuN-CdS/P-CdTe13.4%2001年X.WuN-CdS/P-CdTe16.5%2011年FirstSolar17.3%2011年GE12.8%（組件）2021/3/152CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)效2021/3/15310cm*10cm小型碲化鎘薄膜太陽能電池模組碲化鎘薄膜太陽能電池組件2021/3/15310cm*10cm小型碲化鎘薄膜太陽能電2021/3/154CdTe薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)CdTe是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體,為直接帶隙半導(dǎo)體。吸收系數(shù)高達(dá)104cm-1,電池厚度可做到2~3微米,降低昂貴的材料成本帶隙寬度為1.5eV,CdTe的光譜響應(yīng)和太陽光譜非常匹配——碲化鎘薄膜太陽能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率約為28%Cd-Te化學(xué)鍵的鍵能為5.7eV——一般的碲化鎘薄膜太陽能電池的設(shè)計(jì)使用時(shí)間為20年單質(zhì)Cd和Te相遇只能存在固態(tài)的CdTe——產(chǎn)品均勻性、良品率高,非常適合大規(guī)模生產(chǎn)真空環(huán)境,溫度高于4000C,CdTe升華,溫度低于4000C或氣壓升高,升華減弱,并凝結(jié)成固體——真快快速薄膜制備弱光特性好.對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.2021/3/154CdTe薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)CdTe是一2021/3/155常用太陽電池材料的光吸收系數(shù)2021/3/155常用太陽電池材料的光吸收系數(shù)2021/3/156CdTe薄膜太陽能電池的缺點(diǎn)Te是稀缺材料Cd本身有毒Cd2021/3/156CdTe薄膜太陽能電池的缺點(diǎn)Te是稀缺材2021/3/157CdTe薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)2021/3/157CdTe薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)2021/3/158CdTe薄膜的制備工藝CdTe薄膜:商業(yè)化生產(chǎn):近空間升華（CSS）、氣相輸

運(yùn)沉積（VTD）和磁控濺射2021/3/158CdTe薄膜的制備工藝CdTe薄膜:2021/3/159近空間升華（CSS）2021/3/159近空間升華（CSS）2021/3/1510小面積單體電池研究機(jī)構(gòu)面積/cm2開路電壓/V轉(zhuǎn)換效率/%Matsushita1.0/16USF0.9280.84515.8SCI0.270.83913.3CSM0.100.77812.9NREL0.690.82312.8大面積單體電池研究機(jī)構(gòu)面積/cm2功率/W轉(zhuǎn)換效率/%BPSolar454038.28.4SCI6728619.1GP352827.27.7Matsushita1200108.72021/3/1510小面積單體電池研究機(jī)構(gòu)面積/cm22021/3/15112021/3/15112021/3/15122021/3/15122021/3/1513銅銦鎵硒太陽能電池2021/3/1513銅銦鎵硒太陽能電池2021/3/1514CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

70年代Bell實(shí)驗(yàn)室Shaly等人系統(tǒng)研究了三元黃銅礦半導(dǎo)體材料CIS的生長機(jī)理、電學(xué)性質(zhì)及在光電探測方面的應(yīng)用

1974年,Wagner利用單晶ClS研制出高效太陽能電池,制備困難制約了單晶ClS電池發(fā)展1976年,Kazmerski等制備出了世界上第一個(gè)ClS多晶薄膜太陽能電池80年代初,Boeing公司研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9.4%的高效CIS薄膜電池80年代期間,ARCO公司開發(fā)出兩步(金屬預(yù)置層后硒化)工藝,方法是先濺射沉積Cu、In層,然后再在H２Se中退火反應(yīng)生成CIS薄膜,轉(zhuǎn)換效率也超過10%

1994年,瑞典皇家工學(xué)院報(bào)道了面積為0.4cm２效率高達(dá)17.6%的ClS太陽能電池90年代后期,美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)一直保持著CIS電池的最高效率記錄,并1999年,將Ga代替部分In的CIGS太陽能電池的效率達(dá)到了18.8%,2008年更提高到19.9%

2021/3/1514CIGS電池的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

702021/3/1515CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)材料吸收率高,吸收系數(shù)高達(dá)105量級,直接帶隙,適合薄膜化,電池厚度可做到2~3微米,降低昂貴的材料成本光學(xué)帶隙可調(diào).調(diào)制Ga/In比,可使帶隙在1.0~1.7eV間變化,可使吸收層帶隙與太陽光譜獲得最佳匹配抗輻射能力強(qiáng).通過電子與質(zhì)子輻照、溫度交變、振動(dòng)、加速度沖擊等試驗(yàn),光電轉(zhuǎn)換效率幾乎不變.在空間電源方面有很強(qiáng)的競爭力穩(wěn)定性好,不存在很多電池都有的光致衰退效應(yīng)電池效率高.小面積可達(dá)19.9%,大面積組件可達(dá)14.2%弱光特性好.對光照不理想的地區(qū)猶顯其優(yōu)異性能.2021/3/1515CIGS薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)材料吸收率2021/3/1516CIGS的晶體結(jié)構(gòu)CuInSe2黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)CuInSe2復(fù)式晶格:a=0.577,c=1.154直接帶隙半導(dǎo)體,其光吸收系數(shù)高達(dá)105量級禁帶寬度在室溫時(shí)是1.04eV,電子遷移率和空穴遷移率分3.2X102(cm2/V·s)和1X10(cm2/V·s)通過摻入適量的Ga以替代部分In,形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶體Ga的摻入會改變晶體的晶格常數(shù),改變了原子之間的作用力,最終實(shí)現(xiàn)了材料禁帶寬度的改變,在1.04一1.7eV范圍內(nèi)可以根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整,以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率自室溫至810℃保持穩(wěn)定相,使制膜工藝簡單,可操作性強(qiáng).2021/3/1516CIGS的晶體結(jié)構(gòu)CuInSe2黃銅礦2021/3/1517CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)金屬柵電極減反射膜(MgF2)窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬背電極Mo玻璃襯底低阻AZO高阻ZnO金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS過渡層CdS光吸收層CIGS窗口層ZnO過渡層CdS光吸收層CIGS金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極玻璃襯底金屬背電極Mo光吸收層CIGS過渡層CdS窗口層ZnO減反射膜(MgF2)金屬柵電極2021/3/1517CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)金屬柵電極2021/3/1518CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)2021/3/1518CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)2021/3/1519結(jié)構(gòu)原理減反射膜:增加入射率AZO:低阻,高透,歐姆接觸i-ZnO:高阻,與CdS構(gòu)成n區(qū)CdS:降低帶隙的不連續(xù)性,緩沖晶格不匹配問題CIGS:吸收區(qū),弱p型,其空間電荷區(qū)為主要工作區(qū)Mo:CIS的晶格失配較小且熱膨脹系數(shù)與CIS比較接近2021/3/1519結(jié)構(gòu)原理減反射膜:增加入射率2021/3/15202021/3/15202021/3/1521染料敏化太陽能電池（DSSC）2021/3/1521染料敏化太陽能電池（DSSC）2021/3/1522典型染料敏化太陽電池組成:（1）光電極:TCO+多孔二氧

化鈦層（2）敏化劑:染料(N719/N3)+ 溶劑（3）電解質(zhì):I-/I3-(LiI/I2)+溶

劑（4）對電極:TCO+Pt催化層2021/3/1522典型染料敏化太陽電池組成:2021/3/1523DSSC原理示意圖:2021/3/1523DSSC原理示意圖:2021/3/1524光電轉(zhuǎn)換機(jī)理:(1)太陽光(hv)照射到電池上,基態(tài)染料分子(S)吸收太陽光能量被激發(fā),染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)(S*);(2)激發(fā)態(tài)的電子快速注入到TiO2導(dǎo)帶中;(3)電子在TiO2膜中迅速的傳輸,在導(dǎo)電基片上富集,通過外電路流向?qū)﹄姌O;(4)處于氧化態(tài)的染料分子(S*)與電解質(zhì)(I-/I3-)溶液中的電子供體(I-)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而回到基態(tài),染料分子得以再生;(5)在對電極附近,電解質(zhì)溶液得到電子而還原。2021/3/1524光電轉(zhuǎn)換機(jī)理:2021/3/1525

光的捕獲和光生載流子的傳輸都是有敏化劑和TiO2半導(dǎo)體分別完成的其中:D為基態(tài)染料分子; D’為激發(fā)態(tài)染料分子;

D+為氧化態(tài)染料分子2021/3/1525光的捕獲和光生載流子的傳輸都是有敏化2021/3/1526材料成本較低、制備工藝簡單轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而提升——不同于硅基太陽電池電池兩面均可以吸收光——有利于吸收散射光制備出半透明或不同顏色的電池——裝飾功能強(qiáng)質(zhì)量輕以及可制成柔性器件——便于攜帶能源回收期較短——小于1年較高的轉(zhuǎn)換效率——最高轉(zhuǎn)換效率超出12%染料敏化太陽電池的特點(diǎn)2021/3/1526材料成本較低、制備工藝簡單染料敏化太陽2021/3/1527太陽葉結(jié)構(gòu)通過調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽葉染料敏化太陽電池制成的“太陽葉”2021/3/1527太陽葉結(jié)構(gòu)通過調(diào)整敏化劑顏色獲得的太陽2021/3/15282021/3/15282021/3/1529聚光太陽電池2021/3/1529聚光太陽電池2021/3/1530聚光太陽電池聚光型太陽能電池(ConcentratorPhotovoltaic)高聚光鏡面菲涅爾透鏡(FresnelLenes)]太陽光追蹤器(SunTracker)]其太陽能能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)31%～40.7%,雖然轉(zhuǎn)換效率高,但是由于向陽時(shí)間長,過去用于太空產(chǎn)業(yè),現(xiàn)在搭配太陽光追蹤器可用于發(fā)電產(chǎn)業(yè),比較不適合用于一般家庭。2021/3/1530聚光太陽電池2021/3/1531聚光太陽電池的特征

聚光型太陽能電池主要材料是[砷化鎵](GaAs),也就是三五族(III-V)材料,一般硅晶材料只能夠吸收太陽光譜中400～1,100nm波長之能量,而聚光型不同于硅晶圓太陽能技術(shù),透過多接面化合物半導(dǎo)體可吸收較寬廣之太陽光譜能量,目前以發(fā)展出三接面InGaP/GaAs/Ge的聚光型太陽電池可大幅提高轉(zhuǎn)換效率,三接面聚光型太陽電池可吸收300～1900nm波長之能量相對其轉(zhuǎn)換效率可大幅提升,而且聚光型太陽能電池