CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备
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薄膜太阳能电池简要介绍和发展现状
汇报人：XX
目 录
• CIGS薄膜太阳能电池概述 • CIGS薄膜太阳能电池发展历程 • CIGS薄膜太阳能电池制备技术 • CIGS薄膜太阳能电池性能评价 • CIGS薄膜太阳能电池应用领域拓展 • CIGS薄膜太阳能电池产业发展现状及挑战 • 总结与展望
01
CIGS薄膜太阳能电池概述
定义与基本原理
CIGS薄膜太阳能电池定义
CIGS是铜铟镓硒（CuInGaSe2）的缩写，是一种基于多元化合物半导体的薄 膜太阳能电池。
工作原理
CIGS薄膜太阳能电池利用光电效应，将光能转换为电能。当太阳光照射到电池 表面时，光子被吸收并激发出电子-空穴对，在内建电场作用下分离并收集到电 极上，从而产生电流。
优点
工艺简单，成本低，适用于大面积生产。
缺点
薄膜质量受喷涂工艺和热处理条件等因素影响， 难以控制。
不同制备方法比较
真空蒸发法与电化学沉积法比较
真空蒸发法制备的薄膜质量较高，但设备成本高；电化学沉积法设备简单，成本 低，但沉积速率较慢。
喷涂热解法与前两者比较
喷涂热解法工艺简单，成本低，适用于大面积生产，但薄膜质量相对较难控制。 在实际应用中，可根据具体需求和条件选择合适的制备方法。
器件结构
初步构建CIGS薄膜太阳能电池的 器件结构，研究各层之间的相互 影响。
实验室规模制备
在实验室规模下，制备出小面积 的CIGS薄膜太阳能电池，并对其 性能进行评估。
技术突破与产业化进程
01
02
03
大面积制备技术
突破大面积均匀制备CIGS 薄膜的技术难题，为产业 化奠定基础。
转换效率提升
通过优化材料组成、改进 制备工艺等方式，不断提 高CIGS薄膜太阳能电池的 转换效率。
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。
薄膜太阳能电池的结构和性能分析
薄膜太阳能电池的结构和性能分析薄膜太阳能电池是一种以薄膜材料为基底和吸收光线的薄膜材料为电池层的新型太阳能电池。
相比于传统的硅基太阳能电池，薄膜太阳能电池体积更小、重量更轻、制造成本更低、可弯曲、可透明、可定制化，并且在低光照条件下也有较高的功率输出。
本文将从薄膜太阳能电池的基本结构、工作原理和性能分析三个方面进行论述。
一、基本结构薄膜太阳能电池最常用的材料包括铜铟镓硒（CIGS）、硫化铜铟镉（CIS）、有机聚合物等。
作为太阳辐射的吸收层位于薄膜太阳能电池的最上层，以下是电池层、底电极（包括钢、铝、镀层等）、背电极（包括不导电和导电胶粘剂等）的排列顺序。
在实际生产过程中，会根据实际需要进行一定的调整，如使用透明导电电极、太阳能电池阵列等。
二、工作原理太阳能辐射照射到薄膜太阳能电池的吸收层上，电荷载体在吸收光子的过程中激发，移动到接触区域产生电流，从而形成了电池输出。
在电荷移动的过程中，必须保证吸收层的电导率高，电池层的吸光系数大，于是在电池层中通常使用薄膜法制成镀有金属的材料，从而增加光吸收和导电性。
通常，电子流经过底部电极，在当中遇到了电子中继印刷，应用正向电子控制（P/N结），电荷已经通过电池的输出输出。
因为这种类型的太阳能电池是以薄膜形式制成的，所以它们称为“薄膜太阳能电池”。
三、性能分析薄膜太阳能电池的最大特点是相较于传统太阳能电池，它可以更为轻盈和便携，适用于携带的灵活性不弱于笔记本或手机储物(grid-desktop)长方形太阳能电池板之类的应用。
除此之外，它们在低光照条件下也能有效运作，这在室内灯光、阴雨天等等情况下都非常有用，既可以提高能源利用，又可以减少电量浪费。
此外，薄膜太阳能电池可以根据具体需求进行定制，可用于建筑物幕墙、遮阳百叶、玻璃窗等。
相较于传统硅基太阳能电池，薄膜太阳能电池更加环保节约，由于用料量较少、加工风险低，生产过程中水、电、油耗较少，减少了能源消耗，降低了二氧化碳排放量。
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。
cigs太阳能
所谓第三代太阳能电池就是高效、低成本、可大规模工业化生产的
铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池（注：第一代为单晶硅太
阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等低成本太阳能电池）。
考虑太阳能为绿色的能源和环境驱动因素,发展前景将会十分广阔。
PN结型太阳能电池结构与原理
耗尽区 P区 N区 P区 空间电荷区 N区
CIGS薄膜太阳能电池板实物图
CIGS太阳能电池研究背景
在20世纪90年代, CIGS薄膜太阳能电池得到长足的发展, 日本NEDO
（新能源产业技术开发机构）的太阳能发电首席科学家东京工业大 学的小长井诚教授认为: 铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代太阳能 电池的首选, 并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池。
2 少In、Ga或无Jn、Ga新技术的研究
从原材料的稀缺角度考虑，人们担心In的稀有会限制CIGS薄膜电池的长期发展。
3 叠层电池的研究
常规提到的CIGS薄膜太阳电池属于单结电池。单结太阳电池由于禁带宽度的限制，其开 路电压和短路电流难以兼顾，在实现光电转换的过程中，存在着固有的损失。
以上问题还有待我们去解决！
5 弱光发电性能好
弱光发电不容忽视，与不同类型太阳电池相比，CIGS太阳电池有着突出的表现。在晨昏时 节、阴天冬季，仍具有相当的发电能。
6 抗辐照能力强
CIGS材料的Cu迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能 力，这就保证了CIGS太阳电池在强辐射情况下的良好反应。
7 外观漂亮
结构原理
Mo 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
2024年CIGS薄膜太阳能电池市场环境分析
2024年CIGS薄膜太阳能电池市场环境分析概述本文将对CIGS薄膜太阳能电池的市场环境进行深入分析。
首先，我们将介绍CIGS薄膜太阳能电池的基本原理和特性。
然后，我们将讨论市场需求和竞争环境，并分析CIGS薄膜太阳能电池的优势和劣势。
最后，我们将探讨未来发展趋势和挑战。
CIGS薄膜太阳能电池的基本原理和特性CIGS薄膜太阳能电池是一种基于铜铟镓硒作为吸收层的薄膜太阳能电池。
它具有高效率、较低成本和较高的光电转换效率等特点。
CIGS薄膜太阳能电池的制造工艺相对简单，可以通过物理气相沉积、化学溶液法或蒸发法等方法制备。
市场需求和竞争环境薄膜太阳能电池市场需求不断增长，因为其相对较低的成本和高效率使其成为可再生能源市场的重要组成部分。
CIGS薄膜太阳能电池在市场上具有竞争优势，因为它相对于其他类型的太阳能电池而言具有更高的效率和较低的生产成本。
然而，目前市场上还存在许多竞争对手，如硅基太阳能电池和其他新兴技术，这些竞争对手在成本、效率和可靠性方面具有一定的优势。
CIGS薄膜太阳能电池的优势CIGS薄膜太阳能电池相对于其他太阳能电池具有以下优势： - 高效率：CIGS薄膜太阳能电池具有高光电转换效率，可将太阳能转化为电能。
- 低成本：CIGS薄膜太阳能电池的制造工艺相对简单，成本较低。
- 较高适应性：CIGS薄膜太阳能电池可以应用于不同类型和规模的光伏系统。
CIGS薄膜太阳能电池的劣势CIGS薄膜太阳能电池相对于其他太阳能电池具有一些劣势，例如： - 技术成熟度有限：相对于硅基太阳能电池，CIGS薄膜太阳能电池的技术尚不成熟，仍需要进一步的改进和研发。
- 潜在环境影响：CIGS薄膜太阳能电池的制造过程中使用的材料可能会对环境造成一定影响，需要进行环境保护措施。
未来发展趋势和挑战CIGS薄膜太阳能电池在未来的发展中面临一些挑战，如： - 提高效率：CIGS薄膜太阳能电池需要进一步提高光电转换效率，以满足市场需求。
cigs薄膜太阳能电池工作原理
cigs薄膜太阳能电池工作原理
薄膜太阳能电池是一种轻薄、灵活、高效的太阳能转换设备，其工作原理基于薄膜太
阳能电池产生的光电效应。
该电池由多个薄膜层叠构成，在光照条件下，太阳能会激发电
池中的光敏材料，产生光电子和空穴，然后被电场引导到电池两侧的电极上，形成电流。
1.光吸收：在薄膜太阳能电池中，光线通过厚度仅有几微米的薄膜层，直接被吸收并
转化为电能。
2.载流子的产生：当光线进入电池的吸收层时，吸收层内的半导体材料将能量吸收，
并通过光电效应将其转化为电子。
这些自由电子和空穴分别分布在半导体中，在光子的作
用下自由电子和空穴被产生并控制在不同区域内，形成载流子。
3.分离载流子：产生的自由电子和空穴在电池内部自由移动，由于电场的作用电子流
向电池的一个极端，空穴流向电池的另一个极端，这样就形成了电池两端的电势差。
同时，电池内部的能带与电子或空穴的运动方向相互作用，使其趋于分离，在太阳能的作用下形
成了电流。
4.电流输送：产生的电流在电池中沿导电材料传输，到达电池的输出端接受外负载。
总之，薄膜太阳能电池的工作原理可以归纳为光线的吸收，产生载流子，分离载流子，电流输送等过程。
相比于传统的硅基太阳能电池，薄膜太阳能电池具有更高的光电转化效率、更少的材料消耗以及更灵活的形态，这些优点使得薄膜太阳能电池在未来应用非常广泛。
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• 吸收层：作为pn结的p型半导体，
作用是吸收光，以激发电子，使电 子跃迁，达到光电转化的目的。 CIGS必须有足够的厚度，且缺陷少。
A
5
磁控溅射
• 溅射镀膜,主要是利用高速运动的等
离子体,轰击IE材表面,与靶材粒子 进行能量和动量交换,具有高能量的 粒子飞向衬底沉积成膜。特别适用 于生长难培化合物合金薄膜。磁控 溅射就是在阴极祀材后方安装永久 磁铁或电磁线圈,磁力线先穿出IE面, 然后变成与电场方向垂直,最终返回 IE面。靶面电子的运动受到电场和 磁场的共同作用,产生回旋运动,其 轨迹是一圆滚线。由于离子在表面 做往复运动,增加了电离碰撞的次数, 使得惰性气体原子可以在一个比较 低的工作气压下维持放电,产生的高 速离子轰击祀材并溅射出高能量的 粒子,最终在基片上沉积成膜。
• 减反层和铝电极：沉积厚600nm左右的掺铝氧化锌层和银
电极。
• 整个电池的制备过程就是不同薄膜的制备与叠加过程,多
层薄膜叠加形成P一N结结构而实现光电转化。整个制膜过
程一般采用磁控溅射、蒸发镀膜或是其他一些非真空技术
实现。电池的衬底一般采用含钠的CorningGlaSS,为CIGS
吸收层提供适量的钠源，适量的金属钠元素对于CIGS电池
• (a,d) 80W, (b,e) 120W,
(c,f)160W
因子有着很大的提高。
A
7
Mo电极SEM分析 CIGS薄膜SEM片
A
8
CIGS薄膜SEM分析
• 由图3.1 (a)可知,室温下溅射的CIGS薄膜虽然表面平整,
但并未结晶,薄膜的附着力非常差,很容易脱落。提高衬 底温度,薄膜开始结晶。在320℃时(图3.1(b)),薄膜已 经 始晶化,晶粒逐渐增大,但表面疏松,晶粒间隙大,致 密性差。继续提高温度至420℃(图3.1(d)),薄膜晶粒间 隙变小,致密性也得到较大的改善,但是薄膜性质的稳定 性较差,薄膜表面偶尔会出现微米柱。图3.1(c)是实际 衬底温度为370℃,溅射气压为0.5Pa,靴基距为5cm,溅射 功率为160W时溅射的CIGS薄膜SEM照片。370°C下溅射 的薄膜晶界明显,晶粒尺寸均勻且致密,表面光滑平整, 无微米柱及突起。这说明,实际衬底温度为370℃ 时,CIGS薄膜的致密性和平整度得到较大的改善。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及 制备
作者： 班级： 学号：
A
1
太阳能电池分类
• 晶硅电池：单晶硅电池（c-Si
）、多晶硅电池（p-Si） ；转 化率高（最高达24.7%），成本
高
• 硅基薄膜电池：成本低，非晶
硅薄膜电池（a-Si）有光致衰 退效应致使其性能不稳定,多晶 硅薄膜电池（ploy-Si）没有光 致衰退效应,转化率比晶硅低 （最高p-Si16.5%）
A
9
370℃时制备的CIGS薄膜的XRD图
• 结论：370℃溅射的
CIGS薄膜致密均匀,光 滑平整,结晶性较好,具 有较强的(220)/(204) 面择优取向。在磁控 溅射的过程中,适当的 提高衬底的温度,可以 获得结晶性较好的薄 膜。
A
10
不同溅射功率下制备的CIGS薄膜的SEM表面和截面照片
• 金属栅电极:用作铝电极，用电子束
蒸发法制备.
• 减反射膜:作用是增加入射率，减少
电池表面光反射的损失,增加光透过 率。
• 窗口层:N型窗口层不仅与CdS缓冲
层一起构成了异质结的n型部分,而 且还是电池功率输出的通道。窗口 层与缓冲层之间有很好的匹配性,且 透光性好。
• 过渡层：作用是降低带隙的不连续
A
3
太阳能电池的短路电流既 光生电流，是指在一定的 温度和辐照度条件下，光 伏发电器在端电压为零时 的输出电流。分析短路电 流最直接的方法就是对不 同波段的光所产生的光生 电子空穴对数量进行积分 ，并计算出每一波段所产 生的电流，将电流求和， 最终得到的总电流就是其 短路电流。
A
4
CIGS薄膜太阳能电池层状结构
• 化合物半导体薄膜电池：CIGS
禁带宽度1.04-1.7eV（最佳 1.5eV），CdTe禁带宽度 1.45eV,GaAs目前转化率20%。 光吸收系数高，光电转化率高，
成本低。
A
2
CIGS 的黄铜矿型晶体结构
吸收层CIGS(化学式CuInGaSe2)是 薄膜电池的核心材料,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。作为 直接带隙半导体,其光吸收系数高达 10^5量级(几种薄膜太阳能材料中 较高的)。禁带宽度在室温时是 1.O4eV,电子迁移率和空穴迁移率 分别为3.2X10^2(cm2/V·S)和 1X10(cm2/V·S)
A
6
CIGS电池各层的制备
• 衬底：衬底一般采用玻璃,也有的采用不同材料的柔性箔
片作为材料。
• 背电极：在洁净的衬底上沉积1到1.5um的金属铝
• 吸收层：在铝电极上沉积1.6到2.0um的CIGS
• 缓冲层：在吸收层上依次制备厚60一100nm的硫化锡
• 窗口层：在缓冲层上沉积100nm左右的本征氧化锌层