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效率为12.1%的Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳电池


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第2 5卷

第6 期 









报 

Vo. 5. No 6 12 . 
De .. 2 0   c 04

20 0 4年 l   2月

ACTA  ENERGI   0LAR S SNI A  AE S I  I C

文章 编 号 :05 - 9 (04 0 - 8 -   2 4 06 2O )60 20 0 7 3

效 率 为 1. % 的 C (n Ga S 2 膜 太 阳 电池  21 u I , )e薄
      何  青,孙  云 ,李凤岩,敖建平,刘芳芳,李 伟,刘维一,       孙国忠,周志强,薛玉明,朴英美,汲明亮,郑贵波,李长健,  
( 开 大学光 电子研 究所 , 津 30 7 ) 南 天 00 1  



要 :利用共蒸发 的三步法制备了较高质量的四元化合物 c (n G ) e( I S 薄膜 ,并采用 M / IS C SZ O u I ,a S: CG ) oCG / d/ n  

结构为基础做出转换 效率超过 1% 的薄膜 太阳 电池 ,其最高转换效 率达到 1.% ( 0 2 1 测试条件 为: M15 l a A . ,Go l b 
l0 W/   。通 过 与 国际最 高 水平 的 CG O0 m ) IS太 阳电 池各 参 数 的 比较 ,分 析 了 我们 所 制 备 的 CG IS太 阳 电池 在 工 艺 和  物理 方 面存 在 的 问题 。   关键 词 :CG 薄 膜 ;太 阳 电池 ;转换 效率  IS
中图分 类 号 :T 65 M 1  文献标 识 码 :A  

0 前

言 

左右 的 I G ,蒸发时 间大约控 制在 1 2 m n  n和 a 5~ 0 i, 衬底温度为 30~ 0  ̄ 6 4 0C;第二 步蒸 C ,蒸发 时间  u 约在 2 3 r n内 ,衬底 温度 为 5 0C;第三 步蒸  5~ 0 i a 4 ̄ 发剩余 的 1 % 的 I G ,蒸发 时间约 5 i ,衬底  O n和 a mn 温度仍保持 在 5 0C 4  ̄ 左右 ;整个蒸 发过程一 直在 S  e 气氛 中进行 ,S 源温度 为 20~ 3  ̄ e 1 20C左右 。此 外 ,   工艺 中要 特别注意 衬底温 度 和 G 浓度 的调 控 ,保  a
证 G 与 G + n 比要 在 2 % ~ O a a I之 O 3 %之间 。  

作 为清洁能源 的太 阳电池 已经逐渐受 到世 界各  国的重视 ,其发展方 向是获得高效 、低成本 的太 阳   电池 。为此广大科技工作 者把 目光 瞄准 了薄膜太 阳   电池 ,而 C (n G ) e( u I , a S  简称 CG ) I S 薄膜 太 阳电池  由于其廉价 、高效 、性 能稳定和较强 的抗辐射 能力  而得 到 各 国 光 伏 界 的重 视 ,成 为 其 中 的佼 佼 者 。   C G 是 一种 四元化 合半 导 体薄 膜 ,其 禁 带 宽度 可  IS

过 渡层 C S采 用化 学 水 浴 法 ( B 制备 ,厚  d C D) 度约 为 5 n 0 m。窗 口层 为双层 Z O膜 ,第 一层 为高  n 阻层 ,用 中频 磁 控溅 射 纯 Z O靶 制成 ;第 二层 为  n 低 阻层 ,用 Z O: I ,直 流磁控溅射 法 制成 ;两  n A靶 层厚 度分别 为 8o o A和 8o A左右 。最 后真 空蒸发  oo N/ I 电极 。电池具体结构如 图 1 iA 栅 所示 。  

在 10 .4~16 e 之 间 由其 中 的 G .7V a含量 调 整 ,来  获得梯度 带 隙结 构 ,从 而与 太 阳光谱 得 到最 佳 匹  配 ,使光 电转换效 率得 到提 高 。 目前 CG IS薄膜 太  阳电池 的转换 效 率 已经 达 到 1. %- ,是 各类 薄  92 l   J
膜太 阳电池 的最 高者 。  

本文报道 了用共蒸 发 的三步法制备 C (n G ) u I , a 

s  e薄膜 和以 M / Is c SzO结 构为基础制作 异  0cG / d/ n 质结太 阳电池 ,并 获得 了高达 1. % 的转换效率 。 21  
8 0 An Z O层  0 0 —n

1 CG   I S薄膜和太 阳电池 的制备 
在 2 m厚 的 sd  m 玻 璃 上 用 D m oal e i C一磁 控 溅  射 法沉 积 1 2L 的 M 作 为 衬底 ,溅 射 中注 意  ~p m厚 o

80   Z O层 0 Ai n   - 5o  d  oA C S
21 C GS t . m  I 层  12l Mo . l m  层 

2 m S d m 玻璃  m  oa ie l

调整溅 射气压使之有 着较好 的粘 附性 和较低 的电阻  率 。CG IS薄 膜 的 生 长 采 用 共 蒸 发 的 三 步 法 工  艺  J ,生长厚 度 约 2 L p m。第 一 步 首 先蒸 发 9 % 0 
收 稿 日期 :20 -1 5 040 -   0 基 金项 目:国家 83计划 资助项 目(0 1 A 100  6 20 A S32 )

图 1 CG   IS薄膜 太 阳 电池结 构 图 
F g 1 S h maiso   I   a e   oa  e s i.  c e t  fC GS b s d s lrc a   c

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6 期 



青等 :效率 为 1.% 的 C (n G ) S  21 u I, a e薄膜 太 阳 电池 
表 2 Zn 材料 参 数表    O
T l    p r ee fZn mae a  b a e2 aa tro m O  trl i

73 8 

2 实验 结 果   
我们 利用 A b s 司 的台 阶仪 和美 国安格 盛  mi 公 o
公 司的 H_5 0 a ( 场条件 为0 34 T s )测 量  I 5H l 磁 5 l .2  el a 系统 对太 阳电池 的 CG IS层 和 Z O层 进行 了结构 测  n

如 

加  

试 和霍尔测试 ,测试结果 如表 1 和表 2所示 :  
表 1 C GS 料 参数 表    I 材
T b e 1 p rmee fCI   tr l a l   aa tro  GS mae i   a

我们 的太 阳电池是 信息产业部 电子 2 5 量站  0计
度 

载 
材 料 
CI S . 4 G  1 8   】 2 5 8 e+0   4  .7 5
/  

采 用稳 态 太 阳模 拟 器 测试 装 置 测 量 的 ,标 准条 件 

是: 测试温度为 2℃,标准光谱为 A 15 5 M .,辐照 
0 83 .3  6 9 e+】   .4 6

度 为 10 W/   0 0 m 。测试结 果见表 3  。

表 3 CG   I S太 阳 电池数 据对 照 表 
T l   c mp rs n d t  fCI  oa  el  b a e3 o aio   aa o  GS slrc l s

电池 面积 为 I0 c   .0 m ,有效 面积 为 0 9 c   . 1m

表 3为我们 的高效 率 电池与 国际高水平 电池 的  参数 对照 表 ,图 2为我们 研制 的最 高效 率 的 CG   IS
太 阳电池的 ,   特性 曲线 。 一  

3 1 开路 电压  .

开路 电压 与 国际 最高 水 平 相 差 17 V,即相  0m 差将 近 2 % 。这 主要 由两 方 面 的原 因造成 ,其一  0 是G a的含 量 和分 布 的控 制 不 够 理 想 。我 们 曾经  以高 G 含 量做 成 高 达 6 0 V 的开 路 电压 ,但 短  a 5m 路 电流太低 ,电池 效率 上 不 去 。合 理 含 量应 当使  G 与 I a n+G a之 比在 2 % 左 右 。更 重 要 的 是 G   5 a

孝  

姜  
Vm v  i

的纵 向分布,应使其在靠近背电极处有稍高的 比  
例 ,以形成 背 电场 。其 二 是 结 界 面 复 合较 大 ,使  异质结 质 量 因 子 较 大 ,这 也 是 由 于 G a的 含 量 较 
多 引起 的。  
3 2 短 路电流  .

v ̄5 2   k : 2 3 阡   . 7 f 2% o= 8m 3. , 5 6 , =    3   1I

图 2 12 2 号 电池 特性 曲线    10 1
F g 2 I   u v  o   e   .1 2 21 i .   /V c r e f rc l No 1 0  

短 路 电 流密 度 与 国际水 平 相 差 3 1 m / m 。 . 8 A c   
这个差距 也 是 由两个 原 因造 成 的 ,第 一 是 吸 收层 

3 讨

论 

( I S 的缺 陷 态 较 多 ,霍 尔 迁 移 率 ( 1 较 低  CG ) 表 ) ( .3 c   V?) 0 8 3 m / s ,这 与工 艺 的控 制 有 关 ;第 二 是  未做 减 反 射 涂 层 ,此 层 一 般 可 使 短 路 电 流 有 近  1 % 的提高 。 0  

通过 表 3可 以把我们 的最 高效率 电池与 国际高  水平 电池 的各参数做一 比较 。  

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太 

阳 

能 

学 

报 

2 卷  5

3 3 填 充因子  .

合物 CG IS薄 膜 ,并 采 用 Z O C S CG n / d / I S结 构作 出  

填充 因子 比国 际 水 平 低 0 19 ,差 距 高 达  .4 %
2 % ,究其原 因有 四点 :其一 ,如上述所说 ,界 面  3

效率 为 1.% 的薄 膜太 阳电池 。为进 一 步提高 电  21
池性 能 ,更 好 的控 制 C G I S吸 收层 中 G a的配 比和 

复合较大 ,使 异质 结反 向饱 和 电流 较大  ;其 二 ,   串联 电阻太大 ( 高达3~ Q?   。而 国际水平 电池  4 a ) m

分布 ,减小 电池 的串联 电阻和提高并联 电阻将是进 


步研究 的重点 。   [ 参考 文献 ]  
Ka n n n a  Ra n t a ma ah n, Miu l g e A. Co t rs, e a. nr a e t 1   P o ete  f 1 . % r o ris o  9 2 E ce c   n /C S Cu n S   m in y Z O d / I Ga e

串联 电阻只有 0 2~ .Q?   . 03 a 。造成 串联 电 阻过 高  m 的原 因大 体 上 有 以下 几 点 :吸 收 层 C G I S的 体 电 
阻 、衬底 M o层 电阻 、低 阻 Z O: 1 的 电 阻 和各  n A层 个层 界 面 的接 触 电 阻 。就 具 体 情 况 而 言 ,可 能 以   M 层 电阻为 主 ,因为 M o o层 的电 阻率 比国 际水 平  高 5~7倍 。其 三 ,并 联 电 阻 太 低 。最 好 的 约 
10 f?   00  ̄a ,而国际水 平 为 1 ,0 f?m 。并联 电  m 0 0 0  ̄a   阻低表示 P N结 有 轻微 漏 电 ,根 源 在 于 CG I S层 化  1 
rl   ]J rl   rl  

T i-l o r es[ .Pors i P o vli : hnfm Sl   l A] r esn ht oa s i aC l g     o tc 
R sa had p laos[ ] 20 ; 1 2 5_3   ee c n  p ctn c , 0 3 1 : 2. 2O r A i i
( O :1. 0 2 pp 4 4). D I 0 10 / i. 9   U S a n  o ,4 1 9 A gs 1 ,19   . .P t tN .5 4 ,8 7( u ut 5 9 5) e  
rl  

2  
] J

3 
] J

4N a dU S ae t o ,4 6 0 ( uy 5 9 5   n   . .P tn  .5 3 ,2 4 Jl  ,19 ). 2
] J  

合不 够充 分 ,有 残 留 的低 阻 c  s 。其 四 ,二 极  u  e 一 管 品质 因子太高 。国际高水 平电池 的二极管 品质 因  

C nrrsM  o t a   A,T teJR,G b rA,e 1 H g   f — e ut    l a o  t . ih e   a i

c nyC (n G )e bsds a ci : r e i  f i c  u I, a S2 ae  l  es Po s n o e - o r l c sg  
n v l b o b rs u trs 『 . C ne e c   e od o  o e a s re  t cue   r A] o frn e R c r   f
te 4t I EE h tv h is p cait C nee c  h  2 h E  P oo o ac S e il s o frn e s

子 只有 15 . ,而我们最好 电池 的二极 管 品质 因子 高  达4 。这说 明我们 电池 的结特 性较 差 ,更加 证 实 了  
空 间电荷 区复合现象 较为严 重 。  

[] C ,Wa o a H , ee br 9 4 8 5 i l , I D cm e 19 ,6—7 . ko    
Kass A. S a   Fi a trlse  n Z O/ d Cu  s i   a d M. l fco os s i  n C O/ — l

4 结

论 

G S2i l - r t o  es[ ].Sl   nr   aes g c s ls a cl J  n e y a l r l o Eey r a g
Maeil tras& S l   e s2 0 o a C l  0 3. 8 r 0:4 —49 . 91 9 

利用 共蒸发 的三步 法制 备出较 高质量 的四元化 

A 1. % E F C E   u I , ) e  2 1 F I I NT C (n Ga S 2  
TH D  FI 一 LM   oLAR  S CELL 

H   i , u   u , i ega , o i p g LuFn f g L We, i We i SnG ohn , eQn S nY n L F nyn A   a i , i ag n , i i Lu i , u  uzog g   Jn n   a     y   Z o hq n , u  u i , i   i m i J Mi ln , h n  ub , i hnj n h uZ i a g X e m n Pa Yn e, i n i g Z egG i L C a g a  i Y g o g   ga o   i
(ntu   ht lt nTcnl y N na U i r y i j  00 1 hn ) Ist efP o e co e o g , a ki n e i ,T nn307 ,Ci   it o oer h o   vs t ai a

A s at i  fc nyf rcm o n  u I , a S2 CG )ti fm   e  rpr  s gat e —t  O bt c :H  e i c  u—o pu dC (n G ) e ( I S hni sw r peae ui    re s pC  r g i e h o  l e d n h e


e a o ain p o e s F r emoe.tec n eso   f ce c  n e c s  f1 % h s b e   c iv d b   i  l s l   v p rt   rc s. u t r r h   o v rin e in yi  x e so 0 o h i a  e n a he e   y t n f m oa h i r

c l w t  t cueo  / I / d / n a dtema i m ec e    2 1 e ce c   vl ts c n io : el i as u tr fMo C GS C S Z O. n     xmu ra h d a1 . % f in yl e(et o dt n     h r h i e   i

AM1 5 lblr dac 0 0 m ) .T epo lm  ff r aigtc nlg n fp yisw r i usd . ,Goa r i e10 W/   ia n h  rbe so  bi t   h ooyad o hs   eeds se  a c n e c c
c mp rn   t h  n e t n   ih s lv lo  GS ti  l s l   e . o a ig wi t e itmai a hg e t e e  fCI  hn f m oa c l  h ol   i r 1
K e wo d : CI  h n fl ;s lrc l;c n e so   f ce c   y rs GS ti  m i oa  el o v rin e in y i

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