CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备
cigs激子结合能
cigs激子结合能CIGS是铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）和硒（Se）的缩写，是一种新型的太阳能电池材料。
其中，“激子结合能”是一个重要的物理概念，是理解CIGS电池性能的关键之一。
下面我们来分步骤阐述一下CIGS激子结合能的相关知识。
一、什么是激子结合能激子指的是一对电子-空穴对，它们在晶格中因相互作用而形成的。
激子结合能是指两个电子-空穴对结合形成激子的过程中释放出的能量。
具体而言，当电子和空穴相遇并结合时，它们会释放出一定的能量，这个能量就是激子结合能。
二、激子结合能对CIGS电池的影响CIGS电池中的光照激发电子和空穴之后，它们会形成激子，并在材料中自由移动，最终被收集到电极上产生电能。
而激子结合能决定了激子的平均寿命和运动范围。
如果激子结合能较低，则激子在相遇之后很快就会解离，电荷难以被有效收集；而如果激子结合能较高，则激子可以保持较长时间，从而提高了电池的效率。
三、CIGS激子结合能的实验研究为了准确地测量CIGS的激子结合能，研究人员通常使用光谱学和电学方法。
其中，最具代表性的是调制光电流（Modulated Photocurrent，MPC）技术。
该技术通过为材料施加交变电场，测量外部电路中的调制光电流信号，从而获得CIGS材料的光电特性和激子结合能。
四、未来发展随着太阳能电池技术的进步，越来越多的研究集中在提高CIGS 电池的效率和稳定性上。
其中激子结合能被认为是一个至关重要的参数。
未来的研究重点将是开发具有高激子结合能的CIGS材料，并利用先进的测量技术和理论模拟手段来深入了解其光电行为，从而实现更高效、更可靠的CIGS太阳能电池。
铜铟镓硒
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池技术综述一、薄膜太阳电池概术铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低廉等特点，是备受人们关注的一种新型光伏电池产品，经过近30年的研究和发展，其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的。
而且其光谱响应范围宽，在阴雨天条件下输出功率高于其他任何种类太阳电池，因而成为最有前途的光伏器件之一。
铜铟镓硒CuInSe2（简称CIS）薄膜材料是属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物直接带隙半导体，光吸收系数达到105量级，薄膜厚度约为1-2μm就能吸收太阳光，其禁带宽度为1.02eV。
通过掺入适量的Ga元素以代替部分的In，成为CuInSe2与CuGaSe2（简称CGS）的固溶半导体CuIn1-xGaxSe2（简称CIGS）。
CIGS电池在制作过程中，通过控制不同的Ga掺入量，其禁带宽度可在1.02-1.67eV范围内调整，这就为太阳能电池的带隙优化提供了很好的途径。
二、国内外研究现状（一）国外研究进展CIGS薄膜太阳电池材料与器件的实验室技术在发达国家趋于成熟，大面积电池组件和量产化开发是CIGS电池目前发展的总体趋势，而柔性电池和无镉电池是近几年的研究热点。
美国国家可再生能源实验室（NREL）在玻璃衬底上利用共蒸发三步工艺制备出最高效率达19.9%的电池。
这种柔性衬底CIGS太阳电池在军事上很有应用前景。
近期，CIGS小面积电池效率又创造了新的记录，达到了20.1%，与主流产品多晶硅电池效率相差无几。
美国NREL和日本松下电器公司在不锈钢衬底上制备的CIGS电池效率均超过17.5%；瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的科学家AyodhyaN.Tiwari领导的小组经过多年努力，完善了之前开发的柔性不锈钢衬底太阳能电池，实现了18.7%的效率。
由美国能源部国家光伏中心与日本“新能源和工业技术开发机构（NEDO）”联合研制的无镉CIGS电池效率达到18.6％。
CIGS薄膜太阳能电池结构分析
CIGS薄膜太阳能电池结构分析综述了目前国际上研究得最多的几种薄膜太阳能电池材料的研究现状和各自的最新进展，包括硅基类（非晶硅、多晶硅、微晶硅）、无机化合物类（碲化镉、铜铟硒、砷化镓）、有机类、染料敏化（二氧化钛、氧化锌）等，并从材料、工艺和转换效率等方面比较和讨论了它们各自性能的优劣，最后展望了这些薄膜太阳能电池材料未来的研究方向及应用前景。
标签：薄膜太阳能电池引言近年来，环境污染和能源衰竭等问题与全球经济发展之间的矛盾越来越突出，加上人类对可再生能源的不断需求，这样就促使人们致力于开发新的能源。
太阳能作为一种可再生能源有着其它能源不可比拟的优势，因此，合理利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，太阳能受到人们广泛的重视也是顺理成章的事情。
典型的太阳能电池本质上是一个半导体二极管（p-n结），它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换为电能。
当太阳光照射到半导体二极管p-n结上并被吸收时，其能量大于半导体材料禁带宽度Eg的光子能把价带中的电子激发到导带上去，同时价带中留下带正电的空穴，即形成了电子-空穴对，通常称其为光生载流子。
这些光生载流子在p-n结内建电场作用下迅速分离，电子被扫到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在二极管的两侧分别形成了正负电荷积累，并产生了“光生电压”，这就是所谓的“光伏效应”（Photovoltaiceffect）。
若在p-n结两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”通过，即得到可利用的电能，典型的太阳能电池就是根据这个基本原理工作的。
一、CIGS薄膜太阳能电池具有曲面造型的光伏建筑物和移动式的光伏电站等要求太阳能电池具有柔性和可折叠性，这便促使了柔性薄膜太阳能电池的发展。
所谓柔性薄膜太阳能电池是以金属箔片或高分子聚合物作衬底的薄膜太阳能电池。
一般说来，所有薄膜太阳能电池都可以做成柔性的。
柔性CIGS薄膜太陽能电池的制作工艺和刚性玻璃衬底CIGS薄膜太阳能电池的制作工艺基本相同，不同之处主要体现在衬底材料的选择和CIGS制备两方面。
CIGS薄膜太阳能电池行业发展现状及潜力分析研究报告
随着技术进步和成本降低， CIGS薄膜太阳能电池在光伏市
场中的份额逐渐提升。
未来几年，全球CIGS薄膜太阳 能电池市场有望继续保持增长态
势。
主要生产厂商及市场份额
01
全球CIGS薄膜太阳能电池市场主要由几家大型厂商主导， 如Hanergy、Solar Frontier、Siemens等。
02
这些厂商通过持续投入研发和扩大产能，占据了较大的市 场份额。
行业发展的挑战与机遇
挑战
尽管CIGS薄膜太阳能电池具有巨大的潜力，但行业的发展仍面临一些挑战。如技术成熟度、生产成本 、市场需求等方面的制约因素。此外，行业内竞争激烈，企业需要不断提升自身的技术实力和市场竞 争力。
机遇
在应对挑战的同时，CIGS薄膜太阳能电池行业也迎来了许多发展机遇。随着技术的不断进步和市场需 求的增长，行业有望迎来爆发式增长。同时，政府对可再生能源的支持力度加大，也为行业发展提供 了有力保障。企业应抓住机遇，加大研发投入，提升产品质量，拓展市场份额。
CIGS薄膜太阳能电池行业发展现状 及潜力分析研究报告
汇报人：XXX 20XX-XX-XX
目录
1. CIGS薄膜太阳能电池概述 2. CIGS薄膜太阳能电池行业发展现状 3. CIGS薄膜太阳能电池的应用领域 4. CIGS薄膜太阳能电池的潜力分析 5. CIGS薄膜太阳能电池的未来展望
01
CIGS薄膜太阳能电池概 述
政策支持与市场需求的潜力
政策支持
各国政府对可再生能源发展的支持力度不断加大，为CIGS薄膜太阳能电池行业提供了良好的政策环境。政府通过 补贴、税收优惠等政策措施，鼓励企业加大研发投入，扩大生产规模。
市场需求
随着环保意识的提升和可再生能源需求的增长，CIGS薄膜太阳能电池的市场需求呈现出快速增长的趋势。特别是 在分布式光伏发电和移动能源领域，CIGS薄膜太阳能电池具有广泛的应用前景。
第五章-2 CuInGaSe2太阳电池-20141125
晶
其中，M是金属Cu、In和Ga； x、y是原子或离子数； n是电子数或价数。
28
镀法
※ 原理简单； ※ 电化学制备很复杂——除沉积出三元 （四元）CIS（CIGS）外，还有可能沉 积出单一元素或其他二元素相； 如：Guillen等用XRD和选择刻蚀的方法确 定CuSex和InSex是主要杂相。 ※ 电沉积和蒸发或溅射结合，才能获得高 质量的薄膜。
9
各层功能与要求
对玻璃的附着性好；电阻率低；较好的反光性
替代物：ZnSe/ZnS/In S
Glass: 玻璃热膨胀系数要与CIGS匹配
CIGS（共蒸发法，后硒化法，共溅射法）
CIGS
准确
CIGS薄膜的制备工艺
设置Cu、In、Ga、Se独 立蒸发源，衬底支架和 衬底加热器； 蒸发源由圆柱形陶瓷坩 埚、缠绕在坩埚外的 Mo丝加热器及底部的 热电偶组成； PID自动温度控制仪控 温； Cu、In、Ga源成品字形 排列，均倾斜微小角度， 蒸发口对准衬底中心， 衬底距蒸发源280mm； Se源高于Cu、In、Ga蒸 发源；——Se蒸发温度 低、速率大，易受其它 蒸发源影响。
第五章
薄膜太阳电池
第四章 非晶硅太阳电池 第五章 CdTe和CdS太阳电池 CuInGaSe2(CuInS2)太阳电池 染料敏化太阳电池(DSSC) 有机太阳电池(OPV)
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池
为何使用铜铟镓硒(CIGS)？
Si:间接带隙,103量级
20.8%,
随
随着Cu/In比例的增大，薄膜的方块电阻减小。
20.8%
CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺和产业化前景
基片上形成少缺陷、大晶粒、高结晶的多晶薄膜 ，这往往是
其 它 多 晶 薄 膜 无 法 达 到 的 ， 而 且 ， 由于 材 料 的 用 量 非 常 少 ， 所 以 电池 的 制 造 成 本 低 。 （ ）光 学带 系可 调 ：Ｇ ４ ａ替 代 Ｉ ｎ形成 Ｃ Ｉ。 ａＳ ： ｕ ｎ一 ｅ 固溶 ， Ｇ
（． １ 广西铟锡锑 工程技 术研 究 中心 ，广西 柳 州 ５ ５０ ； ４ ０ ６
２ 柳 州百韧特先进材料有限公 司，广西 柳 州 ５ ５０ ） ． １ ４ ０６
【 摘 要 】文章介 绍 了ＣＧ 薄膜太 阳能 电池的结构及特性、吸收层的主要制备工艺、并简述 了其产业化 前景。 ＩＳ
铜 铟 镓 硒 ［Ｉ Ｓ 薄 膜 太 阳 能 电 池 由于 转 换 效 率 高 、 无 衰 ＣＧ］
制备条件要求极为苛刻 。 １２ ＣＧ ． ｌｓ薄膜太阳能 电池特性
（ ）电 效 率 高 ：Ｃ Ｇ １ ＩＳ是 己知 光 吸 收 系 数 （ 数 达 到 １５ 系 ０
退、抗辐射能力强、寿命长、弱光性能好、本低廉生产成本 低 、光谱响应范 围宽 以及可淀积在柔性基底上等特点 ，被 国
１１ ＣＧ ． Ｉｓ薄膜太 阳能电池 的结构
ＣＧ ＩＳ薄膜 太 阳 能 电池 是 以 Ｐ型半 导体 铜 铟 镓 硒 Ｃ Ｇ ＩＳ作
（ ）具有 独特 的 Ｎ ２ ａ效应 ：对于硅系半导体 ，玻璃 中大
量的Ｎ ａ离 子 是 其 恐 怖 的 性 能 杀手 ， 在 Ｃ Ｇ 而 Ｉ Ｓ太 阳 能 电 池 中 ，
Ａ ｓ ｒ ｃ ： Ｔ ｉ ｒ ｉ ｌ ｅ ｃ ｉ ｅ ｈ ｔ ｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ｏ ｈ Ｉ Ｓ ｔ ｉ ｉ ｍ ｓ ｌ ｒ ｃ ｌ ｂ ｏ ｂ ｒ ｌ ｙ ｒ ｂ ｔａｔ ｈ ｓ ａ ｔ ｃ ｅ ｄ ｓ ｒ ｂ ｓ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｆ ｔ ｅＣ Ｇ ｈ ｎ ｆ ｌ ｏ ａ ｅ ｌ ａ ｓ ｒ ｅ ａ ｅ ｐ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｄ ｏ ｔ ｉ ｅ ｉ ｓ ｎ ｕ ｔ ｉ ｌ ｒ ｓ ｅ ｔ ． ｒ ｐ ｒ ｔ ｏ ｒ ｃ ｓ ， ｎ ｕ ｌ ｎ ｄ ｔ ｉ ｄ ｓ ｒ ａ ｐ ｏ ｐ ｃ ｓ
能源材料铜铟镓硒太阳能电池
05
铜铟镓硒太阳能电池的未来发展前景
技术进步与成本降低
约。
生产过程环保压力大
03
铜铟镓硒太阳能电池在生产过程中会产生一定的环境污染，需
要采取有效的环保措施。
04
铜铟镓硒太阳能电池的应用场景
分布式发电系统
分布式发电系统是一种分散式的能源供应系统，能够满足特定区域内的能源需求 。铜铟镓硒太阳能电池作为分布式发电系统中的一种高效太阳能电池，具有较高 的光电转换效率和稳定性，能够为建筑物、家庭和商业设施提供可靠的电力供应 。
光伏电站的建设需要考虑地理位置、气候条件、土地资源等 因素，铜铟镓硒太阳能电池具有较高的光电转换效率，能够 提高光伏电站的发电量和经济效益。
移动能源系统
移动能源系统是指能够移动的能源供应设备，如电动汽车、无人机等。铜铟镓硒太阳能电池作为一种轻便、高效的光伏器件 ，在移动能源系统中具有广泛的应用前景。
性能稳定。
弱光性能好
在弱光条件下，铜铟镓 硒太阳能电池也能保持 较好的光电转换效率。
适用范围广
铜铟镓硒太阳能电池可 在不同气候和环境下使 用，具有较广的应用范
围。
局限性
成本高
01
铜铟镓硒太阳能电池的制造成本较高，导致市场价格相对较高。
对原料依赖性强
02
铜铟镓硒太阳能电池的原料供应有限，对产业发展存在一定制
分布式发电系统通常采用并网运行方式，将铜铟镓硒太阳能电池与其他可再生能 源技术相结合，如风能、地热能等，实现多种能源的互补和优化。
薄膜太阳能弯曲
薄膜太阳能弯曲 引言 薄膜太阳能是一种利用薄膜材料制成的太阳能电池板。与传统的硅基太阳能电池板相比，薄膜太阳能具有更轻薄、更灵活的特点。因此，薄膜太阳能可以更容易地应用于弯曲的表面，如建筑物外墙、车顶等。本文将探讨薄膜太阳能弯曲的原理、应用以及未来发展方向。
薄膜太阳能弯曲原理 薄膜太阳能弯曲的原理是利用薄膜材料的柔韧性和弯曲性。传统的硅基太阳能电池板由刚性材料制成，无法弯曲。而薄膜太阳能电池板由柔性材料制成，可以在一定程度上弯曲而不影响其性能。
薄膜太阳能电池板通常由多层薄膜组成，包括透明导电膜、光吸收层、电荷分离层等。这些薄膜材料具有较好的柔韧性和可塑性，可以适应不同形状的曲面。通过特殊的制造工艺，薄膜太阳能电池板可以在弯曲的情况下保持电池的正常工作。
薄膜太阳能弯曲的应用 建筑物外墙 薄膜太阳能电池板可以应用于建筑物外墙，将太阳能电池板整合到建筑物的外观中。由于薄膜太阳能电池板的柔韧性，可以根据建筑物的曲面进行弯曲安装，使其更好地融入建筑的整体设计。这种应用方式不仅可以为建筑物提供可再生能源，还可以提高建筑物的能源利用效率。
车顶 薄膜太阳能电池板还可以应用于汽车的车顶。传统的硅基太阳能电池板由于刚性材料的限制，无法应用于车顶等弯曲表面。而薄膜太阳能电池板的柔韧性使得它可以适应车顶的曲面，为车辆提供额外的能源供应。这种应用方式可以为电动车提供充电，延长电池的续航里程。
便携式设备 薄膜太阳能电池板的轻薄柔韧的特点使其非常适合应用于便携式设备，如手机、笔记本电脑等。通过将薄膜太阳能电池板集成到这些设备的外壳中，可以为其提供持续的电源。这种应用方式可以减少对传统电池的依赖，提高设备的使用时间和便携性。 薄膜太阳能弯曲的未来发展 薄膜太阳能弯曲技术目前仍处于发展初期，还存在一些挑战和待解决的问题。其中包括以下几个方面：
效率提升 薄膜太阳能电池板的转换效率相对较低，需要进一步提升。目前已经有一些研究致力于提高薄膜太阳能电池板的光电转换效率，通过改进材料和制造工艺等方式来实现。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• •
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 性，缓冲晶格不匹配问题，作为pn 结的n型半导体。 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。
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。
CIGS薄膜太阳能电池层状结构
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 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 的填充因子有着很大的提高。
• •
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。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及 制备
作者： 班级： 学号：
太阳能电池分类
• 晶硅电池：单晶硅电池（cSi）、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%） • 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。
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)
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。
不同溅射功率下制备的CIGS薄膜的SEM表面和截面照片
• (a,d) 80W, (b,e)
Mo电极SEM分析
CIGS薄膜SEM片
CIGS薄膜SEM分析Fra bibliotek• 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。
120W, (c,f)160W
谢谢！