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文檔簡介
1、CIGS薄膜太陽能電池介紹,二、銅銦硒(CIS)薄膜太陽能電池介紹 三、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池介紹,學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第三代。第一代為單晶硅太陽能電池,第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池,第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS(CIS中摻入Ga)等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多元化合物薄膜電池的重要一員,由于其優(yōu)越的綜合性能,已成為全球光伏領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。,一、第三代太陽能電池,二、銅銦硒(CIS)薄膜太陽能電池介紹,簡介 銅銦硒太陽能薄膜電池(簡稱銅銦硒電池)是在玻璃或其它廉價襯底上沉積若干層金屬化合物半導(dǎo)體
2、薄膜,薄膜總厚度大約為23微米,利用太陽光發(fā)電。銅銦硒電池具有成本低、性 能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等特性,光電轉(zhuǎn)換效率目前是各種薄膜太陽電池之首,正是由于其優(yōu)異的性能被國際上稱為下一時代的廉價太陽能電池,吸引了眾多機(jī)構(gòu)及專家進(jìn)行研究開發(fā)。但因?yàn)殂~銦硒電池是多元化合物半導(dǎo)體器件,具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)和敏感的元素配比,要求其工藝和制備條件極為苛刻,目前只有美國、日本、德國完成了中試線的開發(fā),但尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。,突出特點(diǎn):CIS 太陽電池有轉(zhuǎn)換效率高、制造成本低、電池性能穩(wěn)定三大突出的特點(diǎn)。 轉(zhuǎn)換效率高 CIS薄膜的禁帶寬度為1.04eV,通過摻入適量的Ga(鎵)以替代部分In,成為Cu In1= x
3、GaxSe2 (簡稱CIGS) 混溶晶體,薄膜的禁帶寬度可在1.041.7 eV 范圍內(nèi)調(diào)整,這就為太陽電池最佳帶隙的優(yōu)化提供了新的途徑。所以, C IS (C IGS)是高效薄膜太陽電池的最有前途的光伏材料。美國NREL 使用三步沉積法制作的C IGS 太陽能電池的最高轉(zhuǎn)換效率為19.5%,是薄膜太陽電池的世界紀(jì)錄。 制造成本低 吸收層薄膜CuInSe2是一種直接帶隙材料,光吸收率高達(dá)105量級,最適于太陽電池薄膜化,電池厚度可以做到23Lm,降低了昂貴的材料消耗。CIS 電池年產(chǎn)1. 5MW,其成本是晶體硅太陽電池的1/ 21/3,能量償還時間在一年之內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于晶體硅太陽電池。 電池性能
4、穩(wěn)定 美國波音航空公司曾經(jīng)制備91cm2的C IS 組件,轉(zhuǎn)換效率為6.5%。100MW/cm2光照7900 h 后發(fā)現(xiàn)電池效率沒有任何衰減,西門子公司制備的CIS電池組件在美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL ) 室外測試設(shè)備上,經(jīng)受7年的考驗(yàn)仍然顯示著原有的性能。,三、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池介紹,以銅銦鎵硒為吸收層的高效薄膜太陽能電池,簡稱為銅銦鎵硒電池CIGS電池。其典型結(jié)構(gòu)是:Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。(多層膜典型結(jié)構(gòu):金屬柵/減反膜/透明電極/窗口層/過渡層/光吸收層/背電極/玻璃) CIGS薄膜電池組成可表示成Cu(In1-xGax)S
5、e2的形式,具有黃銅礦相結(jié)構(gòu),是CuInSe2和CuGaSe2的混晶半導(dǎo)體。,CIGS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/cm量級 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)計調(diào)整,以達(dá)到最高的轉(zhuǎn)化效率,非晶硅薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn),低成本 能量返回期短 大面積自動化生產(chǎn) 高溫性好 弱光響應(yīng)好(充電效率高) 其他,低成本 單結(jié)晶硅太陽電
6、池的厚度0.5um。 主要原材料是生產(chǎn)高純多晶硅過程中使用的硅烷,這種氣體,化學(xué)工業(yè)可大量供應(yīng),且十分便宜,制造一瓦非晶硅太陽能電池的原材料本約RMB3.5-4(效率高于6%) 且晶體硅太陽電池的基本厚度為240-270um,相差200多倍,大規(guī)模生產(chǎn)需極大量的半導(dǎo)體級,僅硅片的成本就占整個太陽電池成本的65-70%,在中國1瓦晶體硅太陽電池的硅材料成本已上升到RMB22以上。 從原材料供應(yīng)角度分析,人類大規(guī)模使用陽光發(fā)電,最終的選擇只能是非晶硅太陽電池及其它薄膜太陽電池,別無它法!,能量返回期短 轉(zhuǎn)換效率為6%的非晶硅太陽電池,其生產(chǎn)用電約1.9度電/瓦,由它發(fā)電后返回的時間約為1.5-2年
7、,這是晶硅太陽電池?zé)o法比擬的。 大面積自動化生產(chǎn) 目前,世界上最大的非晶硅太陽電池是Switzland Unaxis的KAI-1200 PECVD 設(shè)備生產(chǎn)的1100mm*1250mm單結(jié)晶非晶硅太陽電池,起初是效率高于9%。其穩(wěn)定輸出功率接近80W/片。 商品晶體硅太陽電池還是以156mm*156mm和125mm*125mm為主。,短波響應(yīng)優(yōu)于晶體硅太陽電池 上海尤力卡公司曾在中國甘肅省酒泉市安裝一套6500瓦非晶硅太陽能電站,其每千瓦發(fā)電量為1300KWh,而晶體硅太陽電池每千瓦的年發(fā)電量約為1100-1200KWh。非晶硅太陽電池顯示出其極大的使用優(yōu)勢。下圖為該電站的現(xiàn)場照片,第一代非晶
8、硅太陽電池的以上優(yōu)點(diǎn)已被人們所接受。2003年以來全世界太陽能市場需求量急劇上升,非晶硅太陽電池也出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。,非晶硅太陽能電池存在的問題,效率較低 單晶硅太陽能電池,單體效率為14%-17%(AMO),而柔性基體非晶硅太陽電池組件(約1000平方厘米)的效率為10-12%,還存在一定差距。 相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加,對于對太陽能電池占地面積要求不高的場合尤其適用,如農(nóng)村和西部地區(qū)。 我國目前尚有約28000個村莊、700萬戶、大約3000萬農(nóng)村人口還沒有用上電, 60%的有電縣嚴(yán)重缺電;光致衰減效應(yīng)也可在電量輸出中加以考慮,我們認(rèn)為以上缺點(diǎn)已不成為其發(fā)展的障礙,非晶硅太陽
9、能電池已迎來新的發(fā)展機(jī)遇。,穩(wěn)定性問題 非晶硅太陽能電池的光致衰減,所謂的W-S效應(yīng),是影響其大規(guī)模生產(chǎn)的重要因素。目前,柔性基體非晶硅太陽能電池穩(wěn)定效率已超過10%,已具備作為空間能源的基本條件。 成本問題 非晶硅太陽能電池投資額是晶體硅太陽能電池的5倍左右,因此項(xiàng)目投資有一定的資金壁壘。且,成本回收周期較長,昂貴的設(shè)備折舊率是大額回報率的一大瓶頸。,非晶硅太陽電池的市場,大規(guī)模地成本發(fā)電站 1996年美國APS公司在美國加州建了一個400千瓦的非晶硅電站,引起光伏產(chǎn)業(yè)振動。 Mass公司(歐洲第三大太陽能系統(tǒng)公司)去年從中國進(jìn)口約5MWp的非晶硅太陽能電池。 日本CANECA公司年產(chǎn)25M
10、Wp的非晶硅太陽能電池大部分輸往歐洲建大型發(fā)電站(約每座500KWp-1000KWp)。 德國RWESCHOOTT公司也具有30MWp年產(chǎn)量,全部用于建大規(guī)模太陽能電站。,CIGS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)
11、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HSe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)院報道了面積為0.4cm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%, 薄膜太陽 能電池發(fā) 展的歷程,CIGS的光學(xué)性質(zhì)及帶隙,CIS材料是直接帶隙材料,Cu(In,Ga,Al)Se2,其帶隙在1.02eV-2.7eV范圍變化,覆蓋了可見太陽光譜,In/Ga比的調(diào)整可使C
12、IGS材料的帶隙范圍覆蓋1.0一l.7eV,CIGS其帶隙值隨Ga含量x變化滿足下列公式其中,b值的大小為0.15一0.24eV,CIGS的性能不是Ga越多性能越好的,因?yàn)槎搪冯娏魇请S著Ga的增加對長波的吸收減小而減小的。 當(dāng)x=Ga/(Ga+In)0.3時,隨著x的增加,Eg減小,Voc也減小。 G.Hanna等也認(rèn)為x=0.28時材料缺陷最少,電池性能最好。,CIGS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
13、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
14、(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,過渡層CdS,過渡層CdS,光吸收層CIGS,過渡層CdS,光吸收層CIGS,過渡層CdS,金屬背電極Mo,光吸收層CIGS,過渡層CdS,過渡層CdS,過渡層CdS,金屬背電極Mo,金屬背電極Mo,玻璃襯底,金屬背電極Mo,CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu),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 CI
15、GS: 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,銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池制備主要設(shè)備及主要測試設(shè)備: 磁控濺射設(shè)備:制備Mo電極、CuInGa合金預(yù)制層、本征i-ZnO和攙雜AL-ZnO(ITO)透明導(dǎo)電層、上電極 硒化裝置:對CuInGa合金預(yù)制層進(jìn)行硒化,形成型的吸收層CuInxGa1-xSe2 水浴反應(yīng)槽:制備過渡層CdS或ZnS 測試設(shè)備主要有:臺階儀,SEM,XRD, RAMAN、分度光透射儀、I-V分析系統(tǒng)等,銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池制造工藝路線,清潔基膜單元或多元磁控濺射沉積硒化防護(hù)膜隨機(jī)檢測印刷切割檢測組裝
16、檢測包裝。,CIGS薄膜太陽能電池的制備,CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法,工藝路線比較成熟 最關(guān)鍵的吸收層的制備有許多不同的方法,這些沉積制備方法包括:蒸發(fā)法、濺射后硒法、電化學(xué)沉積法、噴涂熱解法和絲網(wǎng)印刷法,補(bǔ)充: 磁控濺射,襯底溫度保持在約350 左右,真空蒸發(fā)In,Ga,Se三種元素,首先制備形成(In,Ga)Se預(yù)置層。 將襯底溫度提高到550一580,共蒸發(fā)Cu,Se,形成表面富Cu的薄膜。 保持第二步的襯底溫度不變,在富Cu的薄膜表面再根據(jù)需要補(bǔ)充蒸發(fā)適量的In、Ga、Se,最終得到的薄膜。,三 步 共 蒸 發(fā) 法,現(xiàn)在CIGS組件處于產(chǎn)
17、業(yè)化初級階段,主要是美國、德國和日本等發(fā)達(dá)國家公司。其工藝各具特色,主要采用的都是真空濺射技術(shù),區(qū)別主要是制備CIGS吸收層的部分工藝差別。下表給出了主要公司生產(chǎn)工藝比較??梢钥闯?,最主流形式是濺射金屬預(yù)制層后硒化工藝。該工藝對濺射設(shè)備防腐要求低,維護(hù)簡單,生產(chǎn)過程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接濺射CIGS的研究,由于設(shè)備防腐要求高,吸收層存在缺陷,濺射后仍需要熱退火處理,這種方法現(xiàn)階段沒有表現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢。,CIGS國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)過近20年的努力,我國在光伏發(fā)電技術(shù)的研究方面,開發(fā)儲備了一定的技術(shù)基礎(chǔ),先后在實(shí)驗(yàn)室制備出了晶硅高效電池,多晶硅電池,非晶硅電池,以及CdTe和CIGS等
18、等。國內(nèi)最早開展CIGS研究的是南開大學(xué),先后承擔(dān)了國家“十五”“863”等重點(diǎn)課題。在“銅銦硒太陽能薄膜電池實(shí)驗(yàn)平臺與中試線”和天津市的支持下,南開大學(xué)光電子薄膜器件與技術(shù)研究所的研究取得了關(guān)鍵性突破,其采用共蒸發(fā)法制備的CIS薄膜電池效率在2003年達(dá)到了12.1%。2008年12月,位于天津?yàn)I海新區(qū)的“國家863銅銦硒薄膜太陽電池中試基地”研制出2936cm2的CIGS太陽電池組件,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7%。最近幾年,國內(nèi)也有一些單位,如清華大學(xué)、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)等,也在開展CIS、CIGS薄膜太陽能電池制備工藝方面的研究工作,但是整體水平與國外的差距是非常大的。,3、CIGS薄膜太陽能電
19、池應(yīng)用展望 CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法,工藝路線比較成熟。最關(guān)鍵的吸收層的制備必須克服許多技術(shù)難關(guān),目前主要方法包括:共蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電化學(xué)沉積法、噴涂熱解法和絲網(wǎng)印刷法等。現(xiàn)在研究最廣泛、制備出電池效率比較高的是共蒸發(fā)和濺射后硒化法,被產(chǎn)業(yè)界廣泛采用。 本征缺陷、雜質(zhì)、錯配等均可影響CIGS材料的性能。制備性能優(yōu)良的CIGS太陽能電池,要盡量提高電池器件短路電流、開路電壓、包括填充因子等。由于CIGS吸收層優(yōu)異的光電特性,其短路電流一般可達(dá)3040mA/cm2,決定短路電流的另一個主要因素就是電池器件的串聯(lián)電阻,主要由上下電極的體電阻,
20、各層接觸電阻構(gòu)成。制備器件工藝中,主要需要優(yōu)化Mo電極、低阻ZnO的制備工藝,包括各層之間的匹配。 作為異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池,控制其結(jié)特性將是制備高效電池核心。制備性能優(yōu)良CIGS薄膜太陽能電池的關(guān)鍵是提高器件的開路電壓。主要是盡可能減少器件的短路現(xiàn)象(漏電)。關(guān)鍵是要提高器件的并聯(lián)電阻。影響并聯(lián)電阻的主要因素有:電池內(nèi)部缺陷、晶粒小、導(dǎo)致晶界過多、晶粒排列不緊密、層間晶格不匹配、復(fù)合中心多、電池周界的漏電流等。在制備器件中,主要是控制CIGS吸收層化學(xué)成分比,制備晶粒大、排列緊密、表面平整的吸收層;優(yōu)化過渡層CdS、緩沖層高阻ZnO的制備工藝;避免雜質(zhì)、缺陷引起的復(fù)合等。,最近幾年,原子層沉積技術(shù)(ALD)快速發(fā)展,它是一種類似CVD的化學(xué)沉積制備薄膜的方法。主要優(yōu)點(diǎn)是制備的薄膜更加致密,缺陷更少,對襯底表面沒有任何要求。如果用這種方法制備CIGS薄膜太陽能電池的緩沖層ZnS,
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