铜铟镓硒(CIGS)薄膜的制备
0174.铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池
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
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、 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%
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳 能电池
CIGS 薄膜太阳能电池
这种以铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池，简称 为铜铟镓硒电池CIGS电池。其典型结构是： Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2。（多层膜典型结 构：金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背 电极/玻璃） CIGS薄膜电池组成可表示成Cu(In1xGax)Se2的形式，具有黄铜矿相结构，是CuInSe2和 CuGaSe2的混晶半导体。
CIGS薄膜太阳能电池解读
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 金属背电极Mo 玻璃衬底 高阻ZnO
低阻AZO
CIGS薄膜太阳能电池的结构
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
测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射仪、I-V 分析系统等
铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制造工艺路 线
清洁—基膜—单元或多元磁控溅射—沉积—硒化—防护膜—随机检 测—印刷—切割—检测—组装—检测—包装。
CIGS薄膜太阳能电池的制备
• CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的 方法,工艺路线比较成熟 • 最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发 法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法
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; 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薄膜太阳能电池介绍
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍
一、第三代太阳能电池
铜铟镓硒太阳能电池和半导体器件的制备与性能优化
铜铟镓硒太阳能电池和半导体器件的制备与性能优化铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池作为一种高效的薄膜光伏材料，在可再生能源领域备受关注。
本文将介绍CIGS太阳能电池和半导体器件的制备过程，并探讨如何优化其性能。
1. CIGS太阳能电池的制备过程CIGS太阳能电池的制备主要包括以下几个步骤：1.1 基板清洗首先，将玻璃或复合金属基板进行清洗，以去除表面的杂质和污染物，确保接下来的制备过程中获得干净的基板。
1.2 氧化层制备在基板表面形成适当的氧化层，常用的方法有热氧化和物理气相沉积（PECVD）。
氧化层的形成可以增强材料的吸附性能和界面结合强度。
1.3 材料沉积将铜、铟和镓等金属元素以适当的比例沉积在氧化层上，形成CIGS薄膜。
沉积方法主要有物理气相沉积、磁控溅射和蒸发等。
1.4 烧结和晶化通过高温处理使金属元素发生扩散和反应，形成CIGS晶体结构。
烧结和晶化过程中的温度和时间控制非常重要，它们直接影响到CIGS薄膜的结晶度和光电转换效率。
1.5 背电极制备在CIGS薄膜上沉积背电极，常用的材料是钼。
背电极起到电子收集和传输的作用，对太阳能电池的性能有重要影响。
1.6 正电极制备在背电极上制备透明导电氧化物层，例如氧化锌（ZnO）和氧化镓锌（IGZO）。
正电极的制备需要保证良好的透明性和导电性。
2. CIGS太阳能电池性能的优化为了提高CIGS太阳能电池的性能，可以从以下几个方面进行优化：2.1 材料组成和晶体结构调节CIGS薄膜中铜、铟、镓和硒的比例，以满足最佳的能带结构和光电转换效率。
此外，通过控制烧结和晶化条件，可以改善晶体结构和缺陷密度，提高载流子迁移性能。
2.2 光吸收层厚度CIGS薄膜的厚度对光吸收和载流子产生的效率有影响。
通过适当调整光吸收层的厚度，可以最大限度地充分吸收太阳能光子，提高光电转换效率。
2.3 界面和接触优化CIGS与背电极和正电极之间的界面和接触能够提高电子和空穴的收集效率。
CIGS薄膜太阳能电池材料的制备 结构及性能研究
三、玻璃基太阳能电池薄膜材料的性能研究
2、电学性能：薄膜材料的电学性能主要包括导电性能、电荷传输性能和接触 电阻等。这些性能直接影响着太阳能电池的电流和电压输出。因此，研究薄膜材 料的电学性能及其影响因素，有助于提高太阳能电池的电学性能和稳定性。
三、玻璃基太阳能电池薄膜材料的性能研究
3、稳定性：太阳能电池在长期使用过程中会受到环境因素的影响，如光照、 温度、湿度等。因此，研究薄膜材料的稳定性及其影响因素，有助于提高太阳能 电池的使用寿命和稳定性。
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
1、光学性能：CIGS薄膜具有较高的光学吸收系数，这使得其能够有效地吸收 太阳光并转化为电能。在可见光波段，CIGS薄膜的吸收系数大于10^4 cm-1，而 在红外波段，吸收系数则下降至3000-4000 cm-1。
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
4、环境友好性：CIGS太阳能电池在生产和使用过程中产生的环境污染较小， 且材料可回收再利用。这使得其成为一种具有可持续发展潜力的能源形式。
参考内容
内容摘要
随着全球对可再生能源需求的日益增长，薄膜太阳能电池作为一种清洁、高 效、可灵活制备的能源转换技术，受到了广泛。其中，铜、铟、镓、硒（CIGS） 薄膜太阳能电池是研究最为活跃的一类。CIGS太阳能电池具有高光电转换效率、 低成本、可柔性制备等优势，被认为是下一代薄膜太阳能电池的主流技术之一。 本次演示将对CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备工艺进行综述。
溶液处理法制备CIGS薄膜一般包括：溶液混合、薄膜沉积和硒化处理等步骤。 在制备过程中，各元素的化学计量比、溶液浓度、沉积温度和硒化条件等因素对 薄膜的结构和性能有重要影响。因此，优化制备工艺，实现CIGS薄膜的可控制备， 对于提高CIGS太阳能电池的光电转换效率具有重要意义。
CIGS薄膜太阳能电池
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍
精品文档
一、第三代太阳能电池(diànchí) 学术界和产业界普遍认为太阳能电池(diànchí)的发展已经进入了
第三代。第一代为单晶硅太阳能电池(diànchí)，第二代为多晶硅、非晶 硅等太阳能电池(diànchí)，第三代太阳能电池(diànchí)就是铜铟镓硒 CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜太阳能电池(diànchí)及薄膜Si系太阳能 电池(diànchí)。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池(diànchí)是多元化合物薄膜电池 (diànchí)的重要一员，由于其优越的综合性能，已成为全球光伏领域研 究热点之一。
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
有机聚合物太阳
目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池
不
能电池
同
纳米晶太阳能电池
• 大规模地成本发电站
• 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的 非晶硅电站,引起光伏产业振动。
• Mass公司(欧洲第三大太阳能系统(xìtǒng)公司)去 年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。
• 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部 分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。
• 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装(ānzhuāng) 一套6500瓦非晶硅太阳能电站，其每千瓦发电量为 1300KWh，而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为 1100-1200KWh。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用 优势。下图为该电站的现场照片，第一代非晶硅太阳 电池的以上优点已被人们所接受。2003年以来全世界 太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现 供不应求的局面。
cigs薄膜太阳能电池生产流程
cigs薄膜太阳能电池生产流程英文回答：CIGS Thin Film Solar Cell Manufacturing Process.CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) thin film solar cells are a type of photovoltaic cell that convertssunlight into electricity. They are made of a thin layer of CIGS material deposited on a substrate, typically glass or metal. CIGS solar cells are lightweight, flexible, and efficient, making them a promising technology for widespread use in solar energy applications.The manufacturing process of CIGS thin film solar cells involves several steps:1. Substrate preparation: The substrate is cleaned and prepared to receive the CIGS layer. This may involve etching or other surface treatments.2. CIGS deposition: The CIGS layer is deposited using a variety of techniques, including physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and sputtering.3. Buffer layer deposition: A buffer layer is deposited on top of the CIGS layer. This layer helps to protect the CIGS layer from oxidation and other environmental factors.4. Front contact deposition: A front contact is deposited on top of the buffer layer. This contact collects the electricity generated by the solar cell.5. Back contact deposition: A back contact is deposited on the back of the substrate. This contact provides a path for the electricity to flow out of the solar cell.6. Encapsulation: The solar cell is encapsulated in a protective material, such as glass or plastic. This protects the solar cell from the elements and ensures its long-term durability.CIGS thin film solar cells are a promising technologyfor widespread use in solar energy applications. They are lightweight, flexible, and efficient, and they can be manufactured at a relatively low cost. As the technology continues to develop, CIGS solar cells are likely to become increasingly competitive with other types of solar cells.中文回答：CIGS 薄膜太阳能电池生产流程。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池研究
铜铟镓硒薄膜太阳能电池研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长，传统能源资源的枯竭和环境问题的日益严重，寻找清洁、可再生的能源已成为人类社会发展的迫切需求。
太阳能作为一种无限、无污染的可再生能源，越来越受到人们的关注。
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池作为一种高效、低成本的太阳能电池技术，在近年来得到了广泛的研究和应用。
本文旨在全面深入地探讨铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究现状、发展趋势以及面临的挑战，以期为相关领域的研究者和技术人员提供有益的参考和启示。
本文将对铜铟镓硒薄膜太阳能电池的基本原理和性能特点进行详细介绍，以便读者对其有一个清晰的认识。
然后，本文将重点分析铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究进展，包括材料制备、结构设计、性能优化等方面，以及目前面临的主要问题和挑战。
在此基础上，本文将探讨铜铟镓硒薄膜太阳能电池的未来发展趋势，包括新型材料、新工艺、新技术等方面的研究和应用前景。
本文还将对铜铟镓硒薄膜太阳能电池在可再生能源领域的应用价值和前景进行展望，以期为推动该领域的发展提供有益的参考。
二、铜铟镓硒薄膜太阳能电池的基本原理与结构铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是一种基于多元金属硫化物吸收层的光伏器件，具有高效、低成本和环境友好等特点。
CIGS太阳能电池的基本原理是光电效应，即太阳光照射到电池表面时，光子被吸收层中的金属硫化物吸收并激发出电子-空穴对，这些载流子在电池内部电场的作用下分离并收集，从而产生光生电流。
透明导电层：通常采用氟掺杂氧化锡（FTO）或铟锡氧化物（ITO）等透明导电材料，用于收集光生电子并传输到外电路。
CIGS吸收层：是电池的核心部分，由铜、铟、镓和硒等元素组成的多元金属硫化物，具有较宽的吸收光谱和较高的光电转换效率。
缓冲层：位于CIGS吸收层与透明导电层之间，通常采用硫化镉（CdS）或硫化锌（ZnS）等材料，用于减少界面复合和提高电池性能。
金属背电极：通常采用铝（Al）或银（Ag）等金属材料，用于收集光生空穴并传输到外电路。
丝网印刷工艺制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜
法保证薄膜的均匀性， 使得产业化的应用受到了一定的限制． 近年来， 丝网印刷法作为一种非真空工艺，由于具有成本低、节省原料、操作简单、制备周期短等优点， 成
为大面积 ＣＧ Ｉ Ｓ薄膜 电池研制的热点技术． 迄今为止， 丝网印刷法制备的 ＣＧ Ｉ Ｓ电池效率达到 １％， ４ 使得 ＣＧ ＩＳ 电池产业化成为可能． 然而， 在丝网印刷 ＣＧ 薄膜过程中， ＩＳ 还存诸多的问题需要解决． 例如， 高纯度单相 ＣＧ 纳米粉末的获得就 ＩＳ 是一个非常的过程． ｈｎ Ｃ ｕ 等人【 ４ 通过 ｘ射线衍射仪（ Ｒ ） Ｘ Ｄ 测试分析 了合成的 ＣＧ 粉末， ＩＳ 结果显示粉末中同时含
４４ ３
西南民族大学学报 ・ 自然科学版
第 ３ 卷 ８
本文通过球磨 Ｃ ｌ － ａ２ ｅ 颗粒获得 ＣＧ ｕ ０５ ０５ ２ ｎ ７ ．Ｓ Ｇ Ｉ Ｓ纳米粉末， 采用丝 网印刷工艺制备前驱层， 经不同高温后处 理方式处理后可以获得致密均匀单一相 的 ＣＧ Ｉ Ｓ薄膜． 硒化的温度越高， 薄膜的结 晶性越好． 同时掺杂高熔点硫 化锑（ｂＳ） 以有效地改善 ＣＧ Ｓ ２３ 可 Ｉ Ｓ薄膜的结晶性．
第 ３ 卷第 ３ ８ 期
文 章编 号 ：０ ３２ ４（０２０ －４ １ ４ １ｏ —８ ３２ １）３０ ３－ ０
西南民族大学学报 ・ 然科学版 自
Ｊ ｕ ａ ｆ ｏ ｔ ｗｅ ｔ ｏ ｒ ｌ Ｓ ｕ ｈ ｓ ｉｅ ｓｔ ｏ ｔ ｎ ｌ ｉｓＮａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｄ ｔ ｎ ｎ ｏ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆ ｒ ｙ Ｎａ ｉ ａ ｉ ｅ ・ ｔ ｒ ｌ ｉｎ ｅＥ ｉ ｏ ｏ ｔ Ｓ ｉ
参 考 文献 ：
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Kwak et al. Crystal Growth & Design, Vol. 10, No. 12, 2010
Kwak et al. Crystal Growth & Design, Vol. 10, No. 12, 2010
2.4 纳米晶墨水印刷法
该方法包括前驱物纳米晶墨水制备和薄膜的制作。
• 其他方法沉积得到符合元素化学计量比的CIGS 薄膜比较困难并且容易出现二元或一元杂相,影 响了电池效率的进一步提高.
• 溅射后硒化法被视作更理想的产业化路线,目前 国际上生产线也多采用此方法.
31
台湾
子 南子 北 中 孚 铼 所 开所 大 科 日 德
光等院 电离
大陆
Jap
A
3.2 目前研究
1.1背景
太阳能电池发电原理
1.2 CIGS简介
CulnSe2(CIS)属于I–III–VI 族化合物，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 。 CIS中引入 Ga部分替代In形成CIGS (CuInxGa(1-x)Se2)，它是直 接带隙半导体材料，带隙 可在一较大范围内调节。 作为光的吸收层，CIGS是 薄膜电池的核心材料，
CIGS晶体黄铜矿结构示意图
多元相图
1.3 CIGS薄膜太阳能电池结构
CIGS电池中异质结能带结构图
不同材料的光吸收系数
1.4 CIGS太阳能电池的优势及应用
• 性能优点
导体禁带能隙在1.0~1.7eV之间可调
吸收系数高，达到105cm-1 与缓冲层CdS有良好的晶格匹配 直接能隙，具有光子再循环效应 没有光致衰退效应
Reline试剂：氯化 胆碱，尿素
GaCl3 SeCl4 CuCl2 InCl3 45mM 60mM 7.5mM 55mM
沉积条件:
温度 时间
阴极电位
65℃ 150min -0.2到-2.2v
结果：2+μm的Cu1.0(In0.7, Ga0.3)Se2层，无微裂纹，光 学性能良好。
One-pot electrodeposition, characterization aAnd photoactivity of stoichiometric cop2p3er indium gallium diselenide (CIGS) thin films for solar cells. J. Mater. Chem (2010)
(In,Ga)(g)+Se(g)→(In1-xGax)2Se3(s) (1)
2、升高基底温度到570℃,蒸发Cu、Se。借助低
熔点的Cu2-xSe，形成表面富Cu的CIGS薄膜。
(In1-xGax)2Se3(s)+Cu(g)+Se(g)→
Cu(In,Ga)Se2(s)
(2)
3、少量的In,Ga,Se沉积以形成少量贫铜的CIGS 薄膜。
铜铟镓硒（CIGS）薄膜的制备
Reporter: 范晓
Members: 崔厚磊 葛 军 樊向前 孔庆路
Shanghai Institute of Ceramics, SICCAS
A
1
内容介绍
1、引言 2、CIGS薄膜制备的几种主要方法
3、方法比较及展望
A
2
1.引言
• 1.1 背景 • 1.2 CIGS简介 • 1.3 CIGS薄膜太阳能电池结构 • 1.4 CIGS太阳能电池的优势及应用
• 共蒸发是典型的物理气相沉积工艺(PVD)。根据 薄膜沉积过程,共蒸发可分为一步法、两步法和 三步法。
共
蒸
示 意 图
发 试 验 室
设
备
三步共蒸发法工艺路线
源物质
In-Ga-Se预置层
表面富Cu的CIGS 薄膜
等化学计量比的 CIGS
稍微贫铜的p型 CIGS
1、基底温度较低的情况下(400℃)蒸发In、Ga、 Se形成一层In-Ga-Se预置层。控制原子比例In: Ga =0.7∶ 0.3, In+Ga/Se=2:3;
适应多种衬底材料
“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。
应用
贴在汽车上的CIGS太阳能电池
2. CIGS薄膜材料的制备方法
真空工艺： ➢ 多源共蒸发法 ➢ 溅射后硒化法 ➢ 分子束外延法 ➢ 化学气相沉积
非真空工艺： ➢ 电化学沉积 ➢ 旋涂涂布法 ➢ 丝网印刷法 ➢ 喷墨打印法
2.1 多源共蒸发法
阴极：Mo/钠钙玻璃衬底 阳极：Pt 参比电极：饱和甘汞电极（SCE） 控制参数：各成分浓度、PH、温度、电沉积电位
电沉积时间
• CIGS薄膜的电沉积制备通常被认为是在阴极上 发生出如下反应:
Cu+2 + In+3 + Ga+3 +2H2SeO3+8H+ →Cu(In,Ga)Se2 + 6H2O 组成CIGS的四种元素电化学势如下:
优点：
适于大规模应用 均匀的化学组成
高的制程良率 高的材料利用率
缺点: 晶体质量较差；光电转化率相对较低
Thin solid films 431-432(2003)53-57
Thin solid films 431-432(2003)53-57
3.1 比较
• 普遍采用和制备出高效率电池的是共蒸发和后硒 化法.
Se气氛
H2Se Se
叠层 合金 化合物
磁控溅射制备预制层：
氩气
辉光 放电
Ar+
靶材
Cu、In、 Ga原子 基底
CIG预制层
磁控溅射系统示意图
工艺参数：气 压、溅射功率、Ar流量、溅射顺序
预制层的硒化：
硒主要通过扩散进入薄膜内部与金属预置层的
Cu、In、Ga元素反应生成CuInxGa1-xSe2薄 膜
• H2Se是最好的硒源,但 具有毒性且容易挥发；
固态Se作为硒源，Se 压难以控制,在热处理 过程中会导致In、Ga 等元素的质溶 液成 分
2.3 电化学沉积
CuCl2 、InCl3 、 GaCl3、 H2SeO3： 柠檬酸钠络合剂
LiCl：支持电解质
Cu(In,Ga)Se2(s)+ CuxSe+(In,Ga)(g)+Se(g)
→Cu(In,Ga)Se2(s)
(3)
Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16:235–239
预制层 硒化法
2.2 溅射后硒化法
Cu-In-Ga预 制层的沉积
真空工艺
预制层硒 化热处理
非真空工艺 H2Se气氛