CIGS 太阳电池材料结构与特性
CIGS薄膜太阳能电池共22页
CIGS的材料特性
Ga/(Ga+In)比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖1.0 一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满足下列公式：
CuIn1-xGaxSe2能隙： Eg=1.02+0.67x-0.14x(1-x)eV
试验中选择的x既要考虑增加禁带宽度使其更适合于 AM1.5的太阳光谱，也要考虑收集效率以及光谱响应范 围。转换率较高的x范围是0.25<Ga/(Ga+In)<0.33
随着Cu／In比例的增大，薄膜的方块电阻减小
高效率CIGS吸收层特征
高吸收率的Ga分布
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
低阻AZO 高阻ZnO
金属背电极Mo 玻璃衬底
CIGS薄膜太阳能电池的结构
CIGS薄膜太阳能电池异质结能带图
CuInSe2黄铜矿晶格结构
CuInSe2复式晶 格:a=0.577,c=1.154
直接带隙半导体，其光吸收系数高 达105/cm量级
通过掺入适量的Ga以替代部分In， 形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体
Ga的掺入会改变晶体的晶格常数， 改变了原子之间的作用力,最终实 现了材料禁带宽度的改变，在1.04 一1.7eV范围内可以根据设计调整， 以达到最高的转化效率
结构原理
孔洞:该缺陷的形成可能与挥发相Il2se的 形成有关，加快元素se在预制膜中的扩散 可以避免该相形成
细小晶粒层:该细小晶粒层的出现与Ga元 素的富集有关
Mo（直流溅射双层膜）
要求： 1.与CIGS形成良好欧姆接触 2.与CIGS的晶格失配较小且
膨胀系数与CIGS比较接近 3.较好的反光性能 4.电阻率小且与玻璃基板的附着性好
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
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。
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池，也称为CIGS太阳能电池，
是一种新型薄膜太阳能电池技术。
它采用由铜（Copper）、铟（Indium）、镓（Gallium）和硫（Sulfur）组成的多元化合物
薄膜作为光电转换层，将光能转化为电能。
CIGS太阳能电池具有以下优点：
1. 高效率：CIGS太阳能电池的转换效率较高，可达到20%以上，与传统的硅太阳能电池相比更具竞争力。
2. 灵活性：CIGS太阳能电池可以制备成柔性薄膜，适用于各
种形状和曲面的应用，具有更广泛的应用领域。
3. 薄膜制备简单：CIGS太阳能电池的薄膜制备工艺相对简单，可以通过卷帘描绘、溅射等方法制备，成本较低。
4. 光伏效应强：CIGS太阳能电池在低光照条件下的工作效率
较高，适用于多种环境条件下的应用。
然而，CIGS太阳能电池也存在一些挑战和限制：
1. 铟资源稀缺：铟是CIGS太阳能电池中的关键材料，但铟资
源非常稀缺，导致其价格较高，限制了CIGS太阳能电池的大
规模应用。
2. 氧化问题：CIGS太阳能电池在长期暴露于空气中容易氧化，降低了电池的稳定性和寿命。
3. 制造成本：尽管CIGS太阳能电池制造成本相对较低，但与
传统硅太阳能电池相比仍然较高，制约了其商业化应用的速度。
尽管存在一些挑战，CIGS太阳能电池作为一种新型的太阳能
电池技术，具有很大的潜力和应用前景，可以在建筑一体化、
充电设备、电动车等领域发挥重要作用。
随着相关技术的进一步发展和研究，相信CIGS太阳能电池在未来能够得到更广泛的应用。
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 电池简介
CIGS 电池简介
铜铟硒薄膜太阳能电池是以CuInSe2（CIS）半导体薄膜为吸收层 的太阳能电池，金属镓元素部分取代铟，又称为铜铟镓硒（CIGS ）薄膜太阳能电池。
•
•
电池稳定性好，基本不衰减。
弱光特性好。
CIGS 材料特性
CIGS结构特性
CuInSe2固态相变温度分别是665和810℃,熔点为987℃。低于665℃时，CIS 以黄铜矿结构晶体存在。温度高于810℃时，呈现闪锌矿结构。温度介 于665℃和810℃时为过渡结构。
CIGS 材料特性
CIGS结构特性
CIGS 材料特性
CIGS吸收
总结
1、CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整； • • • • • • CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常适合太阳 电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池的厚度为3-4um； 制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。 电池稳定性好，基本不衰减。 弱光特性好。
CIGS 电池简介
•
CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整；
CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常
适合太阳电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池 的厚度为3-4um； • • • 技术成熟后，制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。2005年NREL的小面积CIGS电池效率已达19.9% 。
CIGS太阳电池电池结构
CIGS太阳电池结构
透明導電膜(TCO) 要低電阻、 高透光率，但ZnO 本身是 高電阻材料，因此外加鋁 重摻雜氧化鋅(ZnO: Al) 改 善其電性，但是會降低透 光率，因此須在此找到最 適合的摻雜濃度 。
TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm)
Mo (0.5~1.5μm)
Glass / Stainless Steel / Polymer
CIGS太阳电池结构
MgF2 (0.1~0.15μm) TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm)
CIGS (1.5~2μm) 蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層 當作頂層電極，接負極。
Junction Layer
External Contacts
Encapsulation
CIGS吸收层的制备
II. Metallic web using roll-to-roll deposition; individual cells are cut from the web; assembled into modules. III. Plastic web using roll-to-roll deposition; monolithic integration of cells.
面复合； 需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光； 对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也非
常重要。
CIGS 电池的发展方向
叠层结构
总结
1、CIGS太阳电池有几层构成，分别是什么层？
2、某些层的功能是什么？ 3、下周课程安排
MgF2 (0.1~0.15μm) TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm)
铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构
铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构1. 引言嘿，朋友们，今天咱们聊聊铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
听起来有点拗口对吧？别担心，听我慢慢道来。
现在太阳能电池越来越普及，走在科技前沿的小伙伴们可得知道这玩意儿的背后故事。
铜铟镓硒（CIGS）可不是简单的材料，它就像是科技界的小明星，凭借着独特的魅力俘获了不少人的心。
大家伙儿，太阳能电池的未来可得靠它们了哦！2. 铜铟镓硒的秘密2.1 材料构成首先，铜铟镓硒这个名字可真是个舶来品，它的组成成分像是万花筒一样，各有各的精彩。
简单来说，CIGS由铜、铟、镓和硒四种元素组合而成。
这四个小家伙的关系可不简单，互相搭配得恰到好处。
就像朋友间的默契，CIGS的每个成分都有它的独特作用，像是在为电池的高效能助阵。
铜是主要的导电材料，铟和镓负责提升光吸收能力，而硒则是个调味剂，提升了整体性能。
这组合就像是一道精致的料理，每个食材都不可或缺。
2.2 制作工艺接下来，咱们说说制作工艺。
CIGS薄膜太阳能电池的生产过程可真是个“大工程”。
首先，得准备好基材，通常使用玻璃或塑料。
然后，经过一系列复杂的工艺，比如蒸发沉积和溅射，四种元素在高温下神奇地结合起来。
就好像是一场化学魔术表演，观众们眼睁睁看着原料变成薄膜。
经过这样的处理，薄膜厚度仅为几微米，相当于一根头发的千分之一。
想想看，咱们居然能把光电材料做得这么薄，科技的力量真让人瞠目结舌！3. CIGS电池的优势3.1 高效能说到CIGS太阳能电池的优势，简直是数不胜数。
首先，它的光电转化效率相当高，这意味着它能把阳光转化为电能的能力杠杠的。
就拿目前的技术来说，CIGS电池的效率可以达到20%左右，甚至更高，真是让人心动不已。
这和传统硅基太阳能电池相比，真是相形见绌，简直是“碾压”对手。
3.2 应用广泛此外，CIGS电池还有个特大优点，那就是它的应用范围极广。
无论是大型太阳能发电厂，还是小巧玲珑的家用电池，CIGS都能胜任。
想象一下，咱们在城市屋顶上，看到一排排闪闪发亮的太阳能板，背后支持它们的可能就是CIGS技术。
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CIGS 太陽電池材料結構與特性
1.CIGS 元件構造
CIGS 薄膜太陽電池具有層狀結構，其典型結構為：蘇打玻璃(Soda-lime glass, SLG)/Mo 薄膜電極/p 型吸收層 CIGS 薄膜/n 型緩衝層 CdS 薄膜/雙層結構的ZnO 薄膜窗口層(i-ZnO/n-ZnO)/抗反射層 MgF2/Ni-Al 電極薄膜
[1]，如圖1所示。
圖 1 CIGS 薄膜太陽電池結構示意圖[1]
2.CIGS 吸收層特性
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的太陽電池薄膜的化學成分較佳的比值為Cu：In：Se = 1：1：2 的
成分組成，其銅對三族(Cu/Ⅲ)最佳理想化學計量比值近於0.93[26]。
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族的
CIGS 薄膜太陽電池為黃銅礦(Chalcopyrite)晶體結構，而黃銅礦結構由閃鋅礦結構(Sphalerite)演變而來。
閃鋅礦結構如圖2 (a)所示，是以Ⅱ族鋅和Ⅵ族硒原子組成
的。
黃銅礦結構如圖2 (b)所示，I族Cu和Ⅲ族In元素取代Ⅱ的Zn原子的位子，原
本Ⅵ族的硒(Se)則維持不變，且黃銅礦立方晶格c軸方向單位長度大約為閃鋅礦結構
的兩倍，故此結構實為兩個閃鋅礦結構所形成。
在黃銅礦結構中每個銅原子都有四個
鍵結連接到一個硒原子上，且每個銦也有四個鍵結連接到一個硒原子上，所以表示每
個Se原子有兩個鍵鍵結到Cu和兩個鍵鍵結到In。
由於黃銅礦結構中，有部分因不
同原子半徑所造成的晶格畸變，因此，此結構之晶格比例c/a 不等於2，所以導致I-
Ⅵ (Cu-Se)原子和Ⅲ-Ⅵ (InSe/Ga-Se)原子之間的鍵結強度也會不相同。
圖 2 (a)閃鋅礦結構 (b)黃銅礦結構[2]
由圖 3 所示，α–CuInSe2 為黃銅礦結構屬於四方晶系(Tetragonal crystal system)，在室溫時，當 Cu 的化學成份比介於 24 至 24.5 at %，會有 CuInSe2(α) 相存在，且當退火熱處理溫度達到 973K 時，CuInSe2 薄膜的成分組成可容許約
5mol%的變異誤差，這表示即便 CuInSe2 薄膜成份組成偏離比值 Cu:In:Se=1:1:2 的成份組成，只要在該組成區域範圍內，就能具有黃銅礦結構及其相同的物理和化學性質。
然而 CuInSe2 薄膜偏移化學組成時，處於富 Cu (Cu-rich) 的情況下，會得到混合的α 和 Cu2Se 的相。
換句話說，當薄膜處於富 In (In-rich)的情況下，會得到混合的α 和有序缺陷化合物(Ordered defect compound, ODC)相存在。
另外，在 Cu2Se–In2Se3 相圖中存在β 與γ 相分別是代表(CuIn3Se5)、(CuIn5Se8)，而β 稱為有序空位化合物(Ordered vacancy compound , OVC)。
圖 3 Cu2Se–In2Se3 二元相圖[3]
由圖 4 所示，Cu 化學計量成份在 25 at %時，CuInSe2 不會以單晶相的情況存在，且於室溫時，CuInSe2 單晶相的形成區間相當狹窄。
另一方面，由圖中可以發現，隨著退火熱處理溫度提升，CuInSe2 單晶相的形成區間也隨之變寬，直到退火熱處理溫度超過700o C(973K)時，CuInSe2 單晶相的形成區間才又急速變窄。
且 CuInSe2 單晶相的區間朝著富 In 方向寬化，Cu 化學計量成份在 22 至 24 at %的區間，就能得到 CuInSe2 單晶相。
圖 4 CuInSe2 之相類似的二元相圖是延著藉由不同的熱處理溫度分析和結構相圖分析所建立的In2Se3 和 Cu2Se 二元混合物曲線[4]
References
[1]L. M. Mansfield, I. L. Repins, S. Glynn, M. D. Carducci, D. M. Honecker, J. W. Pankow,
M. R. Young, C. DeHart, R. Sundaramoorthy, C. L. Beall, B. To, “Sodium-doped
molybdenum targets for controllable sodium incorporation in CIGS solar cells”, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 37th IEEE, 2011,pp. 3636-3641.
[2]T. Markvart and L. Castaner, “Solar cells: materials and manufacture and
operation”, Oxford, Elsevier Advanced Technology, 2005.
[3] B. J. Stanbery, “Copper indium selenides and related materials for photovoltaic
devices”, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 27, 2002, pp. 73-117.
[4]M. Burgelman and A. Niemegeers, “Calculation of CIS and CdTe module
ef fi ciencies”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 51, 1998, pp. 129-143.。