薄膜太阳能电池

CdTe薄膜太阳能电池的理论性能参数为开路电压 1.05V，短路电流30.8mA／cm2，填充因子83.7 ％，转换效率27％。电池结构稳定、制备工艺简 单、节省原料，容易实现大规模生产，这些优点 使它成为近年来研究的焦点。
CdTe 薄膜太阳能电池由五层结构组成，其中CdTe 和 CdS是CdTe薄膜太阳能电池的主要组成部分。
返回
薄膜太阳能电池的发展态势
可以看出，对于薄膜太阳能产业的研究曾在2011年达到过顶峰，随后开始 衰退，不过从今年开始又慢慢恢复。
非晶硅电池效率最低，但是技术较成熟，目前占据了主要的薄膜电池市场。 CdTe电池由于生产成本低，在工业生产上也得到了很大发展，但由于Cd元素 有毒，对环境有害，所以是其推广的一个主要阻力。铜铟(镓)硒太阳能电池由 于转化效率是薄膜太阳能电池中最高的，而且有带隙可调、抗辐射性能好、生 产过程环保、对元素含量偏离化学计量比容忍度高等优点，在未来的发展潜力 最大。
CIGS太阳能电池的柔性衬底技术
传统的CIGS薄膜电池大多是以玻璃为衬底，然而玻璃衬底 的CIGS薄膜太阳能电池并不能满足某些特殊方面的应用要 求，于是就提出了柔性衬底CIGS电池技术。 柔性衬底可以是不锈钢、钛、钼、铜片等金属，也可以是 聚合物(聚酰亚胺PI)。采用柔性衬底可与卷绕技术相结合， 大规模制备质量轻、可弯曲的电池。美国NREL采用共蒸发 法，创造了不锈钢衬底上小面积电池效率为17.5％：德国 HaIln-Meitner-Institude在钛衬底上共蒸发得到CIGS电池 效率为12.5％；ETH(SWI)采用共蒸发法在聚合物衬底上制 得的CIGS电池效率为12.8％。2011年5月，瑞士联邦材料科 学与技术实验室(EMPA)在PI衬底上制造出转化效率18.7％ 的柔性CIGS电池。
肖特基势垒示意图
注意：由于铜原子半径比较小， 容易沿晶界扩散到CdTe薄膜内部， 使载流子复合，降低电池效率， 因而减少了电池的使用寿命。
碲化镉薄膜太阳能电池生产工艺及产污流程图
返回
铜铟镓硒薄膜太阳能电池
铜铟镓硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出 来的新型太阳能电池。由铜铟硒(CuInSe2，简称CIS)发 展而来，将镓(Ga)替代CIS材料中的部分铟(In)，形成 CuIn1-xGaxSe2四元化合物。 CIGS薄膜太阳能电池具有优异 的太阳能吸收特性．理论光电 转换效率(即每平方米太阳能 电池单元将日照能量转换为电 能的转换效率)可达25-30％。 目前实验室最高光电转换效率 达到20.3％。组件转换效率最 高也达15.7％。是当前光电转 换效率最高的薄膜太阳电池。
CdS层带隙稍窄 (2.4 eV)，但由于 ZnO 和 ZnO ： 很薄 (50 nm) ，所 Al层由于带隙 以对入射光的吸收 较宽(3.2 eV)， 较少，大部分入射 大部分光子都 光都能到达 CIGS 可透过这两层 吸收层被吸收。
CIGS太阳能电池的能带结构
n型CdS和p型CIGS ΔEc和 ΔEv分别为 在形成异质结时， 导带底和价带顶的 由于费米能级趋于 能带失调 重合，导致能带弯 曲，并且由于二者 电子亲和势不同， 造成界面处能带不 连续，出现尖峰和 凹口
背电极的制备
CdTe的功函数比大部分金属的高，由于难以找到一个功 函数为5.7eV的金属，所以很难形成欧姆接触。因此在 背接触处就产生了一个肖特基势垒。
解决方法： (1)用溴甲醇溶液或硝酸磷酸混合溶 液腐蚀CdTe表面，去除氧化物并留 下一个富碲层，形成一个p+表面。 (2)在电极的制备中使用铜，在CdTe 表面形成一层Cu2Te缓冲层，这一 层有助于形成一个高效的欧姆接触。
CIGS吸收层的制备
1.共蒸发法 共蒸发法是利用被蒸发物在高温时的真空蒸发来进行 主要方法：共蒸发法、溅射后硒化法、电沉积法、 薄膜沉积的，是典型的物理气相沉积工艺（ PVD），在 丝网印刷法、微粒沉积法、分子束外延法等。 真空环境中 Cu、In、Ga、Se 4种蒸发源分别被单独加 目前已经用于生产并且制备出高效率电池的方法 热进行蒸发，然后在被加热的衬底上进行反应，制备 是共蒸发法和溅射后硒化法。 出 Cu（In，Ga）Se2薄膜。 根据蒸发过程的不同，共蒸发工艺可分为一步法、二步 法和三步法。其中三步法工艺是目前制备高效ＣＩＧＳ 电池最有效的工艺，所制备的薄膜表面光滑，晶粒致密 且尺寸较大，还易于实现Ｇａ含量的Ｖ型分布。 2008年，美国国家可再生能源实验室（NREL）采用共蒸 发法在0.419cm2的器件上实现了高达１9.9％的转换效率。
薄膜太阳能电池
Thin-film Solar Cell
概要
1.基本原理与简介 2.薄膜太阳能电池的分类 3.发展态势总述
关于薄膜太阳能电池
薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳 能电池，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数微米，因此 在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原 料的用量，在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄 膜太阳能电池将成为国际光伏市场发展的新趋势和新热 点。
2.溅射后硒化法
溅射后硒化法是指首先溅射制备金属CI或CIG层，然 后再对其进行硒化处理。 具体工艺过程是，首先在涂覆有Mo背电极的玻璃上溅射 沉积CIG预制层，然后在硒蒸气中对预制层进行硒化处理， 从而得到满足化学计量比的薄膜。 硒化时所用硒源不同，将明显影响生成CIGS的好坏， 目前应用最多的是H2Se气体和固态硒源硒化法。前者 H2Se气体活性较好，易于Se原子与CIG预制层反应生 成CIGS晶相，但H2Se有剧毒、易燃易爆，且价格昂贵， 因此应用受到限制；后者固态硒源硒化法成本较低、安 全无毒，因此应用较为普遍。
基本原理
由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一 个不断增强的从N 型半导体指向P 型半导体的内建电 场，导致多数载流子反向漂移；达到平衡后，扩散产生 的电流和漂移产生的电流相等。如果光照在P-N 结上，
而且光能大于P-N 结的禁带宽度，则在P-N 结附近
将产生电子-空穴对。由于内建电场的存在，产生的非 平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电 势，破坏了原来的平衡。若在电池两侧引出电极并接上 负载，负载中就有光生电流通过，得到可利用的电能。
作为CdTe薄膜太阳能电池前透 明电极的要求是： 1．高透过率，400-860 nm的 光有85％以上的透过率。 2．低电阻，小于10Ω／cm。 3．500℃以下好的稳定性，在 制备CdTe层时的高温不至于使 TCO和以后的各层互扩散。
CdTe薄膜太阳能电池结构示意图
口层的制备
在CdS／CdTe异质结太阳能电池中，CdS作用为宽禁 带的n型窗口层。为了改善电池性能，提高在蓝光 区域的量子效率，CdS薄膜越薄越好。 现在通行的制备方法有化学沉积法(CBD)，近距离 升华法(CSS)，热蒸发法，电子束蒸发法，磁控溅 射法，丝网印刷等方法。 上述各种方法均可制备出效率大于lO％的太阳能电 池，现在效率最高的CdS／CdTe电池使用CBD方法制 备的CdS薄膜。并且化学沉积(CBD)方法设备简单、 成本低廉、容易生长均匀致密的CdS薄膜，是最有 发展潜力的方法。
CIGS的 禁带宽度 可以根据 Ga的不 同掺杂浓 度，在 1.04eV1.67eV之 间进行调 整。
CIGS薄膜太阳能电池的结构
CIGS薄膜太阳能电池典型结构为多层膜结构(如图所示)。 包括玻璃衬底、钼(Mo)导电层、CIGS(或CIS)吸收层、CdS 过渡层、i-ZnO异质结N型层、n-Zn0窗口层、MgF2防反射 层和电极等。
薄膜太阳能电池的分类
1.硅基（Si-based） 2.砷化镓（GaAs） 3.碲化镉（CdTe） 4.铜铟镓硒（CIGS） 5.其他
碲化镉薄膜太阳能电池
CdTc是直接禁带半导体材料，禁带宽度为1.46eV，接近 太阳光能量分布的理想值，其薄膜的吸收系数大，大于 5x 105／cm2，也就是2μm就可将100％能量大于带宽的 入射太阳光吸收。
产生电流的原理
当光照时，在CIGS层内产生电子-空穴对，产生的电子-空穴 对在空间电荷区被p-CIGS/n-CdS异质结的内建电场分开，从 而在外电路产生电流。CIGS太阳能电池的开路电压VOC由内 建电势差决定，即图中CIGS和ZnO：A1的导带低能量差值， 光吸收层CIGS的带隙越宽，内建电势差越大，开路电压VOC 越大，但同时短路电流ISC会减小。
CdTe吸收层的制备
※制作过程中的两个注意点 许多方法都被用来制备 CdTe薄膜： 近场升华法(CSS)，热蒸发法，电子束蒸发法，磁控溅射 1.研究表明在CdS，CdTe交界面S会扩散到CdTe层中，形 法，丝网印刷、电沉积等方法。 成CdS1-xTex层。该层形成的质量好坏，CdS/CdTe 交界面 目前人们制出最高效率的太阳能电池用的是 CSS方法。 杂质和缺陷态的密度，都会影响太阳能电池的效率和寿 命。为了得到好的CdS/CdTe互扩散结，人们通常用高的 衬底温度制备CdTe层。 2.CdCl2活化处理是几乎每个研究组都用的一种处理方 法．不论用什么方法沉积的CdTe，如果没有用CdCl2处理， 短路电流和电池的效率都会很低。这种退火处理之所以 能提高效率主要是因为：1)CdS1-xTex交界面的形成减小 了晶格失配，提高了光电性能。2)CdTe的重结晶和晶粒 生长，缺陷的减少使载流子寿命延长。