什么是CIGS太陽能電池?CIGS薄膜太陽能電池共蒸發(fā)法介紹
太陽能電池在生活中有很多應用,例如美團單車籃筐里的太陽能電池。在上篇太陽能電池相關文章中,小編對銅錮稼硒薄膜太陽能電池的兩種制作方法有所介紹。為增進大家對CIGS薄膜太陽能電池的了解,小編將對CIGS薄膜太陽能電池的共蒸發(fā)方法予以闡述。如果你對太陽能電池具有興趣,不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
一、CIGS 電池的結構
銅錮稼硒(CIGS)薄膜太陽能電池,具有層狀結構,吸收材料屬于I -III-VI族化合物。襯底一般采用玻璃,也可以采用柔性薄膜襯底。一般采用真空濺射、蒸發(fā)或者其它非真空的方法,分別沉積多層 薄膜,形成P-N結構而構成光電轉 換器件。從光入射層開始,各層分 別為:金屬柵狀電極、減反射膜、窗口層(Zn0)、過渡層(CdS)、光吸收 層(CIGS)、金屬背電極(Mo)、玻璃襯底。
二、共蒸發(fā)方法
共蒸發(fā)方法是研究最深入的方法,在實驗室里制備小面積的 CIGS 薄膜太陽電池,沉積的CIGS 薄膜質量明顯高于其它技術手段,電池效率較高,現(xiàn)在報道的最高轉化效率達 19. 99%電池的 CIGS 層就是共蒸發(fā)法制備的。 現(xiàn)在一般采用的是美國可再生能源實驗室(NREL)開發(fā)的三步共蒸發(fā)工藝沉積方 法。
(1)襯底溫度保持在約 350℃左右,真空蒸發(fā) In, Ga, Se 三種元素,首先制備形成(In, Ga) Se 預置層。
(2)將襯底溫度提高到 550-580℃ ,共蒸發(fā) Cu, Se, 形成表面富 Cu 的 CIGS 薄膜。
(3)保持第二步的襯底溫度不變,在富 Cu 的薄膜表面再根據(jù)需要補充蒸發(fā)適量的 In, Ga, Se,最終得到成分為 Culn0.7Ga0.3Se2 的薄膜。三步法與其它制備工藝相比,沉積 得到的 CIGS 薄膜,具有更加平整的表面, 薄膜的內部非常致密均勻。 從而減少了 CIGS 層的粗糙度,這就可以改善 CIGS 層與緩沖層的接觸界面,在減少漏電流的情況下,提 高了內建電場,同時也消除了載流子的復合中心。三步法中的富銅過程,主要是為了增加薄膜晶粒的大小,大的晶粒就意味著少的晶界,最后降低了載流子的復合。從生長機 理分析,主要是利用液相 Cu2-xSe 的作用, CIGS 晶粒重結晶,使從而形成CIGS 大晶粒。
三步法的另一個優(yōu)點,是能夠得到有利于器件提高短路電流和開路電壓的 Ga 梯度曲線 (中間低)。Ga 含量在 Mo 電極接觸側更高,這種 Ga 分布有利于載流子向空間電荷區(qū)輸 運,同時減少其在 Mo 背接觸電極區(qū)域的復合,最終提高電池的開路電壓。另一方面, 薄膜前部 Ga 的梯度變化,主要是增加帶隙寬度, 提高器件在長波波段區(qū)域的量子效率, 也就提高了電池的短路電流。
在蒸發(fā)工藝中,影響薄膜性能的因素有很多。制備的主要工藝參數(shù)主要包括: 工作氣壓、襯底溫度、硒源溫度、沉積速率等等。要制備出高效率的太陽能電池器件,就必須制備高純度的吸收層薄膜,薄膜的晶粒盡量大,表面平整,同時要保證嚴格的成分比例。硒源溫度影響薄膜的組分,同時也會影響薄膜的均勻性和致密性。襯底溫度高低不 同,會直接影響表面沉積原子的運動,反蒸發(fā)和結晶過程。適中的襯底溫度,有利于形成平整的薄膜表面。沉積速率過高,原子來不及通過熱運動到達晶格位置,可能引起空位或者結構的缺陷,結晶特性相對較差,最后導致電池效率較低。 共蒸發(fā)法制備吸收材料的光電性能優(yōu)良, 用這種方法制備的小面積電池的轉換效率 高達 19. 99%,保持著薄膜太陽能電池的世界紀錄。我國南開大學光電子研究所用此方法制備的小面積電池效率為 12. 1%。但是,這種方法有幾個致命的缺點,就是蒸發(fā)法對 設備要求嚴格、大面積制備困難、材料利用率偏低。就目前的設備可靠性和制備的工藝水平來看,很難保證大面積條件下多種元素化學計量比的均勻一致性,所以限制了其商 業(yè)上的大規(guī)模應用。
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