效率为12.1%的Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳电池

利用共蒸发的三步法制备了较高质量的四元化合物Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜，并采用Mo／CIGS／CdS／ZnO结构为基础做出转换效率超过10％的薄膜太阳电池，其最高转换效率达到12．1％(测试条件为：AM1．5，Global 1000W／m^2)。通过与国际最高水平的CIGS太阳电池各参数的比较，分析了我们所制备的CIGS太阳电池在工艺和物理方面存在的问题。     

CIS/CIGS薄膜的制备技术与其生长机理研究

多晶CuInSe2或称Cu(In,Ga)Se2(简称GIS或CIGS)材料在薄膜太阳电池中具有重要的应用.GIS/CIGS的制备方法很多,制备方法不同,CIS的形成机理也不相同,本文对几种典型的制备方法的形成机理做了简要的讨论,并应用XRD、DSC手段,对于金属预制层后硒化法的薄膜的形成机理进行了研究.实验结果显示,溅射法制备的预制层有5种相同时存在,衬底温度升高到220℃,Se熔化后,薄膜中化学反应剧烈,有三元相产生;至350℃,三元相转化成了黄铜矿CuInSe2.     

退火处理对CIGS薄膜物相及成分的影响

采用一步溅射沉积工艺制备CIGS薄膜,并对薄膜进行退火处理。对退火前后的样品进行XRD、EDS、拉曼光谱测试分析。得出退火后的样品结晶度更好晶粒更大,In和Se均有不同程度的流失。最终所测得的Cu/In+Ga、Ga/In+Ga的成分比满足高效太阳电池的要求,拉曼光谱所测得的样品表面有退火中形成的CIS存在。     

前驱膜Al含量对铜铟铝硒薄膜成分和结构的影响

采用中频交流磁控溅射方法制备了CIA前驱膜,并采用固态硒化法进行处理,获得了CLAS吸收层薄膜.采用SEM和XRD观察和分析了薄膜的成分、组织结构和表而形貌.着重分析了CIA前驱膜中的Al含量对CIAS吸收层薄膜成分、品体结构的影响.结果表明,通过调节CIA前驱膜的Al含量可制备得到Cu/(In+Al)原子比接近1,且Al(In+Al)比例可调的成分分布均匀的CLAS薄膜.CIAS薄膜由Cu(In1-x Alx)Se2固溶体相组成,Al主要是以替代In的固溶形式存在.     

Cu(In,Ga)Se2太阳电池窗口层光学常数的测量与计算

采用多层薄膜反射率与透射率非相干叠加的方法,计算Cu(In,Ga)Se2(CIGS)多晶薄膜太阳电池的窗口层(CdS薄膜和ZnO薄膜)的光学常数,并通过科希方程和塞尔迈耳方程对计算的折射率进行了拟合,给出了拟合公式,为CIGS多晶薄膜太阳电池结构的光学设计和优化奠定了基础.     

Na掺入制备不锈钢衬底CIGS太阳电池

以轻质柔性不锈钢材料为衬底,利用共蒸发法制备较高质量的四元化合物Cu(In,Ga)Se2薄膜,在沉积CIGS薄膜前沉积一定厚度的NaF预置层,使得所制备的CIGS薄膜含有适量浓度的Na,并获得了10.06%的转换效率.利用X射线衍射仪和X射线荧光光谱仪分别测量了所制备薄膜的晶相和组分,利用扫描电子显微镜分析了不锈钢衬底CIGS太阳电池的断面形貌,最后分析了NaF的掺入对CIGS太阳电池的影响.     

In2Se3薄膜生长及结晶择优取向的影响因素研究

(In,Ga)2Se3薄膜的生长结晶性的好坏直接影响着在其基础上化合生长的Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜以及CIGS太阳电池器件的性能.实验就多源共蒸发制备In2Se3预制层工艺中3个主要条件,即衬底材质、Se源温度、衬底温度进行研究.分析讨论上述3种因素对In2Se3薄膜的结晶生长和择优取向生长的影响.发现:在Mo/苏打石灰玻璃(Mo/SLG)衬底上生长,Se源温度在270℃以上或衬底温度为380～400℃的较高温度时,制备的In2Se3预制层是单一晶相的In2Se3,其x射线衍射峰是以(110)和(300)峰为择优取向.反之,生长在苏打石灰玻璃(SLG)衬底上,Se源温度为230℃以下或衬底温度为较低温度300℃时,In2Se3预制层结晶质量较差,其X射线衍射峰则多以In2Se3(006)衍射峰为择优取向.     

H_2Se气态硒化后退火温度对CIGS薄膜中Ga再分布的影响

采用H_2Se气体在400℃下对溅射的Cu-In-Ga金属预制层进行硒化处理制备CIGS薄膜,然后采用原位退火的方法改善Ga元素在CIGS薄膜内的纵向分布和薄膜内的晶粒尺寸,研究退火温度对CIGS薄膜表面Ga元素含量和结晶性的影响。CIGS薄膜中Ga元素的分布决定薄膜的禁带宽度和太阳电池的开路电压,通过优化退火温度,CIGS太阳电池的转换效率相对增益达到20%,最终达到14.39%的转换效率和590 mV的开路电压。     

CdS/CuInSe_2异质结薄膜太阳电池

用蒸发方法制备CdS/CuInSe_2(CdS/CIS)异质结薄膜太阳电池。在Mo/玻璃或Mo/Al_2O_3衬底上,用双源法蒸发CIS多晶材料+Cu或CIS多晶材料+Se,通过控制对黄铜矿结构的微小偏离,淀积电阻率不同的两层p-CIS层,然后用蒸发CdS方法,通过控制In的蒸发,在高阻p-CIS层上淀积两层电阻率不同的n-CdS层,并在低阻n-CdS层上蒸发Al栅和SiOx减反射膜,构成n-CdS/p-CIS异质结薄膜太阳电池。对电池的I—V特性和光谱响应特性进行了研究。     

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。     

硒蒸气硒化法制备CIGS薄膜的影响因子(Ⅰ)氩气流量对CIGS薄膜结构和形貌的影响

采用中频交流磁控溅射方法,在Mo层上沉积了CulEnGa(cIc)预制膜.以Ar为载气,采用固态硒化法制备获得了Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)吸收层薄膜,考察了Ar流量对CIGS薄膜结构和形貌的影响.采用SEM和EDS观察和分析了薄膜的表面形貌和成份,采用XRD表征了薄膜的组织结构.结果表明,在不同Ar流量下制备的CIGS薄膜均具有单一的黄铜矿相结构,薄膜具有(112)面的择优取向.随着Ar流量的增大,CIGS薄膜晶粒直径增大.当Ar流量为0.20m3/h时,薄膜的孔隙最少.当Ar流量达到0.40m3/h时,薄膜晶粒出现明显的柱状生长.当Ar流量为0.10、0.20和0.30 m3/h时,所制得的CIGS薄膜的Cu、In、Ga原子含量比,处于弱p型的理想范围.     

多元化合物太阳电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多,大多数尚未工业化生产,主要有以下几种：a）硫化镉太阳能电池b）砷化镓太阳能电池c）铜铟硒太阳能电池（新型多元带隙梯度cu（In,Ga）Se2薄膜太阳能电池）Cu（In,Ga）Se2是一种性能优良太阳光吸收材料.     

CuInSe_2薄膜特性研究

利用元素合成法合成了具有单一黄铜矿结构的CuInSe_2(CIS)多晶材料。通过微处理机控制系统,控制蒸发CIS和Cu或控制蒸发CIS和Se制备CIS薄膜。对制备的CIS薄膜的光学性质、电学性质、组份、结构与工艺条件的关系进行了讨论。     

Al掺杂量对Cu（In1-xAlx）S2薄膜性能的影响

使用廉价的溶剂热法制备黄铜矿结构的Cu(In_(1-x)Al_x)S_2薄膜,研究Al掺杂量对Cu(In_(1-x)Al_x)S_2薄膜的晶体结构、形貌、粗糙度和光学性能的影响。结果表明:随着Al掺杂量的增加,Cu(In_(1-x)Al_x)S_2薄膜的X射线衍射峰向高角度偏移,同时晶粒尺寸变小。Cu In S2的原位变温XRD结果显示Cu In S2在低于873 K时可以稳定存在,当温度达到873 K时Cu In S2则开始分解为In2S3和Cu2S。AFM的测试结果展示薄膜表面的粗糙度随着Al掺杂量的增加而逐步降低。紫外分光光度计的测试结果呈现Cu(In_(1-x)Al_x)S_2薄膜透过率随着Al含量的增加而逐步增加。Al/(Al+In)的量在0~0.5变化时,Cu(In_(1-x)Al_x)S_2薄膜的禁带宽度的相应变化为1.56~2.24 e V。     

硒蒸气硒化法制备CIGS薄膜的影响因子(Ⅱ)预制膜对CIGS薄膜结构和形貌的影响

采用中频交流磁控溅射方法,在Mo层上沉积了多层和双层CuInGa(CIG)预制膜,采用固态硒化法制备获得了Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)吸收层薄膜,考察了预制膜对CIGS薄膜结构和形貌的影响.采用SEM和EDS观察和分析了薄膜的表面形貌和成分,采用XRD表征了薄膜的组织结构.结果表明,CIG多层预制膜由Cu11 In9、CuIn和In相组成,CIG双层预制膜由Cu11 In9、CuIn、In和CuGa相组成.通过硒化CIG双层和多层预制膜,所获得的CIGS薄膜均为黄铜矿相结构,薄膜具有(112)面的择优取向.当硒化时间为17min时,通过硒化CIG双层预制膜所获得的CIGS薄膜出现了上层致密,下层疏松的结构,延长硒化时间为25min,CIGS薄膜变得致密.     

H2Se气体硒化中温度对CIGS吸收层特性的影响

采用H_2Se气体对铜-铟-镓金属预制层进行硒化制备铜铟镓硒(CIGS)光吸收层,研究硒化过程中温度对CIGS结晶质量及光学特性的影响。400~500℃单一温度硒化制作的CIGS薄膜的表面平整性较差,存在颗粒状聚集物。在硒化前引入200℃低温预处理过程,可提高CIGS薄膜表面的平整性和致密性。在400℃硒化后导入500℃高温热处理过程可提高CIGS的结晶质量并改善Ga元素掺入的均匀性。光学特性测量显示,优化硒化温度可降低CIGS薄膜的缺陷态,从而提高Ga元素在薄膜中的掺入效果,CIGS薄膜的光学带隙可达1.14 e V。利用CIGS薄膜制备的太阳电池光电转换效率达13.1%,开压为519 m V,有效面积为0.38 cm~2。     

喷涂热解法制备黄铜矿结构的AglnS_2薄膜

AgInS_2为Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ_2族半导体化合物,它的室温禁带宽度为1.9eV。近年来对Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体化合物的研究日益深入,探索AgInS_2作为光伏转换材料,以及它与其它Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物形成多元固溶体光伏转换材料的研究工作也正在进行。Gorska等报道了喷涂热解AgInS_2和AgIn_5S_8薄膜的结果,但没有获得所需要的黄铜矿结构的AgInS_2,而得到了正交结     

衬底对CuInSe_2薄膜太阳电池性能的影响

通过 I— V曲线的测量 ,着重研究了衬底对 Cu In Se2 (CIS)薄膜太阳电池性能的影响。结果表明 ,衬底中钠离子向薄膜的渗透对提高效率具有重要作用 ,此外必须考虑热膨胀系数的匹配问题。对 Mo背接触溅射的最佳工作条件进行了讨论。     

科技简讯

制造太阳电池新方法日本富士电机综合研究所和东京理科大学合作,共同研究成功在玻璃上喷涂Cd、S、Cu、In、Se化合物太阳电池材料薄膜。其厚度为2μm。它把含有Cd、S、Cu、In、Se的混合水溶液,用喷涂法喷涂在加热到200—350℃的基板上。这种方法不需要在蒸发法及溅射法中所用的真空装置,而且不受基板材料大小的限制。同时,这种太阳电池比非晶硅太阳电池的耐用性好,长期使用其发电效率不会降低。     

硒蒸气硒化法制备CIGS薄膜的影响因子（I）氩气流量对CIGS薄膜结构和形貌的影响

采用中频交流磁控溅射方法,在Mo层上沉积了CuInGa（CIG）预制膜。以Ar为载气,采用固态硒化法制备获得了cu（In1-xGax）Se2（CIGS）吸收层薄膜,考察了Ar流量对CIGS薄膜结构和形貌的影响。采用SEM和EDS观察和分析了薄膜的表面形貌和成份,采用XRD表征了薄膜的组织结构。结果表明,在不同血流量下制备的CIGS薄膜均具有单一的黄铜矿相结构,薄膜具有（112）面的择优取向。随着Ar流量的增大,CIGS薄膜晶粒直径增大。当舡流量为0．20m^3／h时,薄膜的孔隙最少。当Ar流量达到0．40m^3/h时,薄膜晶粒出现明显的柱状生长。当心流量为0．10、0．20和0．30m^3/h时,所制得的CIGS薄膜的Cu、In、Ga原子含量比,处于弱P型的理想范围。