薄膜太阳电池系列讲座(8) CIGS薄膜太阳电池(下)

③柔性CIGS电池的卷-卷(Roll-to-Roll)制备工艺CIGS薄膜电池制备在柔性衬底上,使其可能采用卷绕式(Roll-to-Roll)生产工艺。几百米甚至上千米长的电池一次完成[9],卷对卷工艺可降低设备造价和占地面积,同时有效提高生产效率。卷对卷工艺设备局部示意图如图16所示。在CIGS薄膜电池工艺流程中,在分切成外联要求的单个电池     

CIGS薄膜太阳电池(上)

详细介绍了CIGS薄膜太阳电池的结构和工作原理,系统叙述了不同制备方法的特点与工艺流程,以及最新技术进展与未来展望,并简单介绍了国内CIGS薄膜太阳电池的研究状况.     

CIGS薄膜太阳电池(下)

③柔性CIGS电池的卷一卷(Roll-to-Roll)制备工艺CIGS薄膜电池制备在柔性衬底上,使其可能采用卷绕式(Roll-to-Roll)生产工艺.几百米甚至上千米长的电池一次完成[9],卷对卷工艺可降低设备造价和占地面积,同时有效提高生产效率.卷对卷工艺设备局部示意图如图16所示.在CIGS薄膜电池工艺流程中,在分切成外联要求的单个电池前,都可采用卷对卷工艺.     

薄膜太阳电池系列讲座(12)硅基薄膜太阳电池(四)

图16为以等离子体内SiH3为生长前驱物模式的硅薄膜沉积示意图. 此模型中假设在SiH3离子落向衬底之前,表面将被H覆盖.首先SiH4在等离子体内与电子发生碰撞,(1)电子将自己的动能给予SiH4,使其分解成SiH3和H原子;(2) SiH3附着于衬底表面;(3) SiH3在表面覆盖有H的帮助下,在衬底表面运动以寻找合适的成键位置;(4)最后在能量最低处与表面硅的悬键键合生成表面Si层上的原子之一;(5)上式分解出的原子H或表面覆盖的H,反过来也可能与SiH3反应生成气态的硅烷而回到等离子体中去.     

薄膜太阳电池系列讲座(19) 硅基薄膜太阳电池(十一)

热动力学损失:光照产生的光生非平衡载流子,即使电子和空穴回到其能带底或顶的稳定位置,但系统仍处于非平衡态,系统将通过载流子的产生、输运、复合才达到动态平衡。此时的状态使用电子或空穴的最大化学势μe和μh来描述。最大化学势可在开态下得到,即(μe+μh)oc=eVoc,它与电子空穴对的自由能之比即为热动力学损失,记作ηthermodynamic=。eVoc<εe+εh>能量传递损失:系统处于开路或短路对外并不做功,只能算是能量储存器。电池对外做功的最大输出与其极端状态(开路电压与短路电流)下所做最大功(Voc×Isc)的比值,即为其对外输出能量的传递损失FF=JmpVmp/JscVoc。     

薄膜太阳电池系列讲座(16) 硅基薄膜太阳电池(八)

调制材料的光电性能对于吸收层更为重要。CO2浓度比与缺陷态密度及带隙宽度的关系见图38a[35]。带隙宽度最大可达到2.02eV,而缺陷态从1016cm3增加到2.5×1017cm3左右,增加了一个多数量级(缺陷态的测量通过CPM测量得到)。可见,O的加入在加宽带隙的同时,将带来更多的悬挂键缺陷态。鉴于O为二配位,而Si是四配位,配位数的差异造成悬挂键的增加不难理解。     

薄膜太阳电池系列讲座(13) 硅基薄膜太阳电池(五)

上述光诱导的衰退经过150℃、几个小时或250℃、几分钟的热退火处理,对新产生的悬挂键进行钝化后,又会回到其起始值[23]。退火后的状态称为退火(annealing)态。退火态类似于刚沉积的材料,即未经受光诱导蜕化前所处的状态。一种简单的有实验证实的模型认为,新产生的悬挂键与悬挂键愈合(或钝化)之间,即使在较低的温度下也会达到动态平衡。光强越大,产生新悬挂键的     

薄膜太阳电池系列讲座(11) 硅基薄膜太阳电池(三)

4非晶硅中氢(H)的作用(1)钝化悬挂键实际上早期采用蒸发方法制备的非晶硅材料并不含有氢(H),所以写成a-Si。缺陷态密度很高,很难制备出性能优良的器件。自从1969年Chitick等人发明了用辉光放电法(GD)制备氢化非晶硅(a-Si:H)[15],以非晶硅作有源层的器件才成为可能。     

薄膜太阳电池系列讲座(15) 硅基薄膜太阳电池(七)

(3)非晶硅氧(a-SiO:H)合金[34,35]以H稀释硅烷添加CO2作混合气源,控制衬底温度、沉积气压及CO2浓度比CO2/(CO2+SiH4)(其中硅烷用氢稀释浓度比SiH4/(SiH4+H2)表示),在等离子体放电作用下,CO2、SiH4、H2之间将产生以下反应:SiH4+CO2+H2→a-SiO:H,生成非(或微)晶硅氧合金薄膜。硅氧(SiO:H)合金可以是非晶态,也可以是含微晶相的。由Si的无规网络(图34a)与SiO2网络(图34b)之间融合状态的不同,硅氧合金的原子构     

薄膜太阳电池系列讲座(21) 硅基薄膜太阳电池(十三)

其中,Iblackbody(hω)为式(39)中若n=1时所描述的真空中光子能量为hω的能量流密度。这是因为均分定理保证无论是在外部黑体中还是在折射率为n的介质内,各个光子态上具有相等的占据几率,而由于在介质(n>1)内光子的态密度要比真空(n0=1)中的高出n2倍,因此式(39)描述了介质中的光能量密度比真空(黑体)中高n2(折射率的平方)倍。如果一束准直的光从设为     

薄膜太阳电池系列讲座(12) 硅基薄膜太阳电池(四)

图16为以等离子体内SiH3为生长前驱物模式的硅薄膜沉积示意图。此模型中假设在SiH3离子落向衬底之前,表面将被H覆盖。首先SiH4在等离子体内与电子发生碰撞,(1)电子将自己的动能给予SiH4,使其分解成SiH3和H原子;(2)SiH3附着于衬底表面;(3)SiH3在表面覆盖有H的帮助下,在衬底表面运动以寻找合适的成键位置;(4)最后在能量最低处与表面硅的悬键键合生成表面Si层上的原子之一;(5)上式分解出的原子H或表面覆盖的H,反过来也可能与     

薄膜太阳电池系列讲座(10) 硅基薄膜太阳电池(二)

2掺杂问题掺杂是决定材料和器件电学性能的关键之一,希望材料的电导特性能够有序调制,即能够按照需要调节导电类型及其电导率,以满足器件性能要求。在晶体硅器件中,它的基本材料是事先预定的,随后掺杂形成的p-n结,也有成熟的工艺予以调制,因此器件的重复性可得到保证。但在薄膜硅基器件中,器件的形成伴随着材料的生长同步完成。因此其变数在各层材料形成的过程中,加之硅     

薄膜太阳电池系列讲座(20) 硅基薄膜太阳电池(十二)

为尽可能向太阳光谱红外波段拓展,设计了三结叠层电池结构、材料及能带梯度递变的新型电池,如图56所示[49]。新型电池拟采用1.8eV的非晶硅a-Si:H顶电池、1.1eV的微晶硅μc-Si:H中间电池以及0.8～0.9eV的μc-SiGe:H底电池三结叠成,对光吸收分配更为合理。由其QE计算曲线(图56c)可见,该结构电池的光谱响应与太阳光谱匹配良好,可吸收绝大部分的太阳光。当设定了带隙范围的材料后,为达到高效率,     

薄膜太阳电池系列讲座(14) 硅基薄膜太阳电池(六)

下面分别对a-SiC:H、a-SiO:H和a-SiGe:H三种合金材料进行介绍。(1)非晶硅碳(a-SiC:H)合金硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)和甲烷(CH4)或乙烯(C2H4)等气源在等离子放电环境中,将发生化学反应生成非晶硅碳合金(a-SiC:H)。它主要通过掺杂获得p型的a-SiC:H,用作硅基薄膜叠层太阳电池的顶电池窗口层。根据使用气源性质的不同,在相同沉积条件下获得膜中的C含量与在气体中的含C气源流量比并不相同,反映了含C气源分解反应的     

薄膜太阳电池系列讲座(2) 减薄晶体硅太阳电池给薄膜太阳电池的启示(下)

二减薄电池的发展1厚度减薄问题的提出减薄材料厚度除成本优势外,还会带来什么好处以及相应难点?事实上减薄厚度有利于增强PN结电池内光生载流子的收集。美国RCA的DavidRedfield等[3,4]于1974年首先对晶硅太阳电池的厚度提出"疑议",明确提出减少晶硅太阳电池     

薄膜太阳电池系列讲座(1) 减薄晶体硅太阳电池给薄膜太阳电池的启示(上)

近年来世界光伏产业飞速发展,薄膜太阳电池作为太阳电池家族的重要成员也得到快速发展。为进一步推动薄膜太阳电池的发展与应用,科学普及非常必要。南开大学光电子薄膜器件与技术研究所、南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室、光电信息技术科学教育部重点实验室是我国薄膜太阳电池领域知名的研究机构,本刊特邀在这些机构工作的张晓丹、熊绍珍、赵颖等专家就薄膜太阳电池进行系列科普讲座,在上半月刊的科普苑栏目刊登,以飨读者。     

薄膜太阳电池系列讲座(24) 染料敏化电池(中)

(4)传导到TCO的电子流向外电路。(5)该电子最终经由外电路回到对电极(Counter Electrode)。(6)处于氧化态S+的染料分子从电解质(氧化还原电对I/I3)的I离子中得到电子回到基态S,而电解质的I失去电子被氧化成I3:S++e→S(3)I2e→I3(4)(7)处于氧化态的氧化还原电对I/I3中的I3扩散到对电极处,从对电极获得电子而被还原成I离子:     

薄膜太阳电池系列讲座(5) 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池及其光学检测(下)

图4碲化镉薄膜的生长条件除了氩气压强在2.5～50mTorr范围内变化外,其他沉积条件都保持一样。从图中可以看到:(1)所有薄膜在沉积初期(体层1～2nm厚)都有相对较厚的表面粗糙层。这时沉积下来的碲化镉容易聚成岛状而不是平     

薄膜太阳电池系列讲座(3) 碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池及其光学检测(上)

介绍了碲化镉电池的基本结构,碲化镉及其相关材料的沉积方法和基本性质,尤其是多晶材料的光学性质与其能带结构、晶粒尺寸等其他物理性质的相关性。光学检测是研究薄膜太阳电池的重要工具。通过原位椭偏学观测到的碲化镉表面粗糙度的实时演变,碲原子和硫原子的扩散,以及碲化镉、硫化镉光学性质的深层分析证明了这一手段的独特作用。     

柔性不锈钢衬底CIGS薄膜太阳电池

以轻质柔性不锈钢材料为衬底,利用三步共蒸发法制备较高质量的四元化合物Cu(In,Ga)Se_2薄膜,CIGS层在Mo导电层上具有很强的附着力。利用XRD和XRF分别分析了所制备薄膜的晶相和组分。以ZnO:Al/i-ZnO/ CdS/CIGS/Mo/Stainless steel结构为基础得到最高转换效率为9.39%的柔性太阳电池。最后讨论了衬底粗糙度、有害杂质的扩散和不含有Na元素等不利因素对于电池性能的影响。