铜铟镓硒薄膜太阳电池研究进展和挑战

铜铟镓硒(Cu（In,Ga）Se₂,CIGS)太阳电池产业化受到全世界广泛关注。作为高转换效率薄膜电池,其效率可与晶硅电池相比,目前最高效率达到23.35%。对于小面积实验室电池而言,研究重点是精确控制吸收层的化学计量比和效率;对于工业化生产而言,除化学计量比和效率外,成本、重现性、产出和工艺兼容性在商业化生产中至关重要。重点介绍了不同制备工艺、吸收层组分梯度调控、碱金属后沉积处理、宽带隙无镉缓冲层、透明导电层和柔性衬底等研究进展。从CIGS电池的效率来看,将实验室创纪录的高效电池技术转移到平均工业生产水平带来显而易见的挑战。     

CdS薄膜的真空热蒸发制备及在CIGS薄膜太阳电池中的应用

采用真空热蒸发(VTE)的方法制备了CdS多晶薄膜,研究了不同衬底温度对其微观结构与光电性能的影响。结果显示,不同衬底温度下制备的CdS薄膜均属于六方相多晶结构且具有(002)择优取向;随着衬底温度的升高,(002)特征衍射峰强度增加,半高宽变小,相应薄膜结晶度增大;由CdS薄膜的透射光谱可知,在500~1 000nm波段平均透过率均超过80%,光学带隙随着衬底温度的升高而增大(2.44~2.56eV),表明真空热蒸发方法制备的CdS薄膜可以作为CIGS薄膜太阳电池的缓冲层。将真空热蒸发法制备CdS薄膜与磁控溅射法制备CIGS薄膜太阳电池相结合,在同一真空室内得到了CIGS薄膜太阳电池器件,为CIGS薄膜太阳电池的工业化推广提供了新途径。     

Bphen/Ag/Bphen复合缓冲层对有机太阳电池性能的影响

采用Bphen/Ag/Bphen作为阴极缓冲层,制备了基于CuPc/C60的有机太阳电池,研究了在有机薄膜中加入金属超薄层对器件性能的影响。结果表明,在Bphen缓冲层中加入1 nm的Ag时,器件的电子注入和传输都得到了提高。采用常用的等效电路模型,计算了缓冲层对器件性能参数的影响。发现Bphen/Ag/Bphen可以改善有机层和电极的界面接触性能,降低器件的串联电阻。此外,测试了器件的吸收光谱,研究了复合缓冲层对器件光子吸收的作用,发现加入Ag薄层后提高了器件的光吸收能力。     

N-I-P 单结微晶硅太阳电池中N/I 与 I/P界面缓冲层的研究与优化

采用高压RF-PECVD技术制备了本征微晶硅薄膜和n-i-p结构微晶硅太阳电池。详细研究了n-i-p微晶硅太阳电池中n/i 和 i/p 缓冲层对太阳电池性能的影响。实验结果表明,提高n/i 界面晶化率以及在i/p 界面加入非晶缓冲层均有利于太阳电池性能的提高。通过优化界面缓冲层,微晶硅单结电池和非晶硅/微晶硅叠层电池的性能得到大幅度提高。     

Ⅲ-V族材料制备多结太阳电池的研究进展

讨论了采用Ⅲ-Ⅴ族化合物材料制备多结太阳电池时的材料选择和实现方案,重点探讨了采用渐变缓冲层、引入InGaAsN等新材料以及直接键合等三种方法。其中,采用渐变缓冲层结构的Ge/Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As三结太阳电池,转换效率提高到41.1%。而采用直接键合技术设计的InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结太阳电池,以及应用InGaAsN等新材料设计的五结以上太阳电池,其转换效率还有可能达到新的高度。此外,一些创新技术,例如电池的反向生长技术、转移层技术以及将GaAs的量子阱结构和量子点应用于多结太阳电池,都为太阳电池效率的进一步提高提供了新的契机。     

CdS/CdTe太阳电池的背接触

磷硝酸腐蚀是一种适宜于工业化生产的背表面刻蚀工艺.文中采用磷硝酸腐蚀CdTe薄膜,并用溴甲醇腐蚀作为对照实验,研究了两种腐蚀对材料性质的影响.随后用真空蒸发法分别沉积了四种背接触层,提出了适宜于工业化生产的背接触技术,并从实验和理论上对两种背接触结构的CdTe太阳电池进行了分析.     

CdS/CdTe太阳电池的背接触

磷硝酸腐蚀是一种适宜于工业化生产的背表面刻蚀工艺.文中采用磷硝酸腐蚀CdTe薄膜,并用溴甲醇腐蚀作为对照实验,研究了两种腐蚀对材料性质的影响.随后用真空蒸发法分别沉积了四种背接触层,提出了适宜于工业化生产的背接触技术,并从实验和理论上对两种背接触结构的CdTe太阳电池进行了分析.     

原子层淀积技术应用于太阳电池的研究进展

原子层淀积(ALD)是一种先进的纳米级薄膜生长技术,在微电子和光电子领域有着广泛的应用前景,尤其在提高太阳电池的光电转换效率方面正发挥越来越大的作用,很可能成为下一代太阳电池工艺中的重要方法。文章综述了近年来ALD技术在太阳电池领域的应用研究进展,详细介绍了ALD技术应用在不同类型太阳电池的最新研究成果和存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

基于晶格大失配In0.58Ga0.42As材料的高效四结太阳电池

Ⅲ-Ⅴ族晶格失配多结太阳电池是实现高效太阳电池的主要途径之一,但面临晶格失配材料的高质量生长及其所导致的子电池光电转换效率下降的难题。重点针对晶格失配子电池结构中的(AlGa)InAs缓冲层开展台阶层厚度优化研究,设计了150、200和250 nm三组不同台阶层厚度的缓冲层结构,并完成三组样品的外延生长实验。通过材料测试和子电池电性能测试,系统分析了台阶层厚度对In_0.58Ga_0.42As材料外延生长质量和子电池电性能的影响。获得了晶格弛豫度为96.71%的In_0.58Ga_0.42As子电池材料,制备的子电池开路电压达到205.10 mV。在此基础上,结合GaInP/GaAs/In_0.3Ga_0.7As三结电池研制了晶格失配四结薄膜太阳电池,其光电转换效率达到32.41%(AM0,25℃)。     

大面积、高性能柔性 GaInP/GaAs/InGaAs叠层太阳电池的制备

柔性高效Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池正在被开发、应用于无人机、可穿戴设备和空间能源等领域.采用MOCVD技术在Ga As衬底上制备太阳电池外延层, 之后通过低温键合和外延层剥离方法将外延层转移到柔性衬底上.通过外延层剥离设备设计和大量参数优化实验, 实现了GaAs太阳电池结构从四英寸砷化镓晶圆上的有效分离, 且不产生缺陷并保持原有的性能.近期, 在50μm聚酰亚胺薄膜上制备的30 cm2大面积柔性GaInP/Ga As/InGaAs三结太阳电池实现了31. 5%的转换效率 (AM0光谱) , 其中开路电压3. 01 V, 短路电流密度16. 8 mA/cm2, 填充因子0. 845.由于采用了轻质的聚酰亚胺材料, 所得到的柔性太阳电池面密度仅为168. 5 g/m2, 比功率高达2 530 W/kg.     

p型透明导电氧化物CuCr1–xMgxO2的制备及光电性能研究

采用溶胶–凝胶法制备了CuCr1–xMgxO2粉末,压制烧结形成了CuCr1–xMgxO2陶瓷样品,研究了Mg2+掺杂量和压制压强对CuCrO2粉末和陶瓷的相组成、显微结构及光电性能的影响。结果表明:随着Mg2+掺杂量从0.01增加到0.07,所制CuCr1–xMgxO2粉末对紫外–可见光的吸收度增加,光学带隙宽度由3.25 eV逐渐减小到2.86 eV。随着Mg2+掺杂量或压制压强的增加,其相应陶瓷样品的电导率均先增大后减小。当Mg掺杂量x为0.03,压制压强为550 MPa时,制备的CuCr0.97Mg0.03O2陶瓷样品的电导率达到最大值,为19.8 S/cm。     

Cu(In,Ga)Se2太阳电池缓冲层ZnS薄膜性质及应用

在含有ZnSO4,SC(NH2)2,NH4OH的水溶液中采用CBD法沉积ZnS薄膜,XRF和热处理前后的XRD测试表明,ZnS沉积薄膜为立方相结构,薄膜含有非晶态的Zn(OH)2.光学透射谱测试表明,制备的薄膜透过率(λ＞500nm)约为90%,薄膜的禁带宽度约为3.51eV.ZnS薄膜沉积时间对Cu(In,Ga)Se2太阳电池影响显著,当薄膜沉积时间在25～35min时,电池的综合性能最好.对比了不同缓冲层的电池性能,采用CBD-CdS为缓冲层的电池转换效率、填充因子、开路电压稍高于CBD-ZnS为缓冲层的无镉电池,但无镉电池的短路电流密度高于前者,两者转换效率相差2%左右.ZnS可以作为CIGS电池的缓冲层,替代CdS,实现电池的无镉化.     

基于Cs2AgBiBr6卤化物双钙钛矿太阳电池的研究进展

铅基钙钛矿太阳电池的优异器件性能归因于其显著的光学和电子性质,其能量转换效率已从最初的约3.8%大幅提高到25%以上。尽管铅基钙钛矿太阳电池得到了快速的发展,但由于铅原子的毒性及其在热、光和湿度等条件下的不稳定性,阻碍了该类型钙钛矿光伏技术的实际应用。因此,寻找无铅、无毒和环保的卤化物钙钛矿来取代铅基材料在实际中的应用至关重要。无铅卤化物钙钛矿的研究是目前的研究热点之一。本文综述了无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6在钙钛矿太阳电池中的应用,介绍了Cs2AgBiBr6的结构与材料制备的方法,讨论了钙钛矿太阳电池的器件性能,分析了提高该类型光伏器件性能的相关策略,探讨了无铅钙钛矿面临的挑战以及发展方向。     

缓冲层对太阳电池用ZnO:B薄膜结构及其光电性能的影响

通过优化ZnO缓冲层(buffer layer),有效地改善了由金属有机化学气相沉积(MOVCD)法制备的ZnO:B薄膜的光电特性。结果表明,"富氧"的缓冲层有效增加了ZnO:B-TCO的近红外区域透过率,使其更适应宽光谱薄膜太阳电池的发展要求。经过优化的ZnO:B,"类金字塔"状晶粒尺寸约300～500nm,波长550nm处绒度(haze)为10.8%,薄膜电子迁移率为20.7cm2/Vs,电阻率为2.14×10-3Ω.cm,载流子浓度为1.41×1020cm-3,且在400～1 500nm波长范围内的平均透过率为83%(含2mm厚玻璃衬底)。     

缓冲层对多量子阱材料GaAs/Ga1-xAlxAs共振态的影响

从理论上研究缓冲层的厚度和特性对多量子阱材料(GaAs/Ga1-xAlxAs)中的共振态的影响,利用界面响应理论的格林函数方法,计算了局域和总电子态密度以及电子对结的穿透率,展示了缓冲层特性对态密度特征峰、穿透率的影响.结果表明,缓冲层具有控制共振隧穿电子和影响系统电子态的作用.     

Cu(In1-xGax)Se2薄膜太阳电池的J-V特性

对Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）太阳电池J-V特性曲线进行了测试和分析,采用Matlab软件进行计算,得到电池的二极管品质因子、反向饱和电流密度、串联电阻、并联电阻等特性参数，采用数值逼近法,将得到的参数回归J-V方程,与测试结果符合较好，对不同光照强度下电池的特性参数进行计算,发现并联电阻随光照强度增加而降低,并分析了原因。     

Cu(In1-xGax)Se2薄膜太阳电池的J-V特性

对Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)太阳电池J-V特性曲线进行了测试和分析,采用Matlab软件进行计算,得到电池的二极管品质因子、反向饱和电流密度、串联电阻、并联电阻等特性参数.采用数值逼近法,将得到的参数回归J-V方程,与测试结果符合较好.对不同光照强度下电池的特性参数进行计算,发现并联电阻随光照强度增加而降低,并分析了原因.     

梯度Si1-cGec混晶太阳电池长波光谱响应及其短路电流的理论计算与分析

提出了一种新型Si/Si1-cGec太阳电池结构.对长波波段的响应区域-Si基区Si1-cGec梯度区光生少子分布进行了求解.根据电流连续性原理计算了光谱响应SR,讨论了电池结构和梯度区最大锗浓度c对光生电流J1的影响.结果表明:在一定条件下梯度区的引入使得SR明显提高,但c和梯度区厚度同时增加,窄能隙的复合效应显现出来.电池结构对器件性能的影响更为显著.当梯度区厚度L2远小于基区厚度L1时,复合及电场的抽运使得SR低于相同厚度Si基区之值.     

缓冲层对多量子阱材料GaAs/Ga_(1-x)Al_xAs共振态的影响

从理论上研究缓冲层的厚度和特性对多量子阱材料 (GaAs/Ga1-xAlxAs)中的共振态的影响 ,利用界面响应理论的格林函数方法 ,计算了局域和总电子态密度以及电子对结的穿透率 ,展示了缓冲层特性对态密度特征峰、穿透率的影响。结果表明 ,缓冲层具有控制共振隧穿电子和影响系统电子态的作用