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1、第四章第四章 III-V族化合物太阳能族化合物太阳能 电池和铜铟镓硒太阳能电池电池和铜铟镓硒太阳能电池 4.1 GaAs太阳能电池材料及太 阳电池的特点 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池 4.3 CIGS薄膜太阳电池的结构 和性能 (1)主要的光吸收层其能隙值在1.5eV附近； (2)p-n结面的安排，最好以n-type层迎着照光的方向； (3)薄膜太阳电池因材料的光吸收系数高故常利用异质结的设 计，让迎光的n-type层选用具较大能隙的材料； (4)各层的厚度搭配与各层的电性如能隙、载子扩散长度等有 密切关系，必须予以适当的设计。 获得获得较高的能量转换效率较高的能量转换效率太阳能电池组件
2、的条件：太阳能电池组件的条件： 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 半导体同质结太阳电池能量转换 效率理论计算值对能隙的关系 从对II-VI族材料性质的了解以 及上述太阳电池组件结构的需 求，CdTe的能隙以及具p-type 的导电特性即成为其被用为主 要光吸收层的最佳选择，至于 透光层则可以搭配n-type的 CdS或ZnSe甚至掺加第三个II 或VI族元素如(Zn,Cd)S或 Zn(Se,S)以调整适当的能隙做 最佳化设计。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 CdTeII-
3、VI族化合物，Eg1.5eV, 理论效率28%，性能稳 定，一直被光伏界看重。 工艺和技术近空间升华(CSS),电沉积，溅射、真空蒸发 ，丝网印刷等； 实验室电池效率16.4%；商业化电池效率平均810； CdTe电池90年代初实现了规模化化生产，2002年市场 份额为0.3。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 我国CdTe电池的研究工作开始于80年代初。 内蒙古大学蒸发技术 北太所电沉积技术，1983年效率5.8%。 90年代后期四川大学近空间升华， “十五 ”期间，
4、列入国家“ 863”重点项目， 并要求建立0.5兆瓦/年的中试生产线。 电池效率达到 13.38。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 CdTe属于II-IV族化合物半导体,具 有直接带隙结构,能隙宽度1.45eV. CdTe 具有较高的吸收系数，2um 薄膜可以吸收99% 太阳光。 CdTe薄膜制造技术成熟，容易实 现模组化。 CdTe太阳能电池已经应用到屋顶 技术，前景看好。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe性质性质 II-VI族化合物中最高的平均原子数，最低的熔点，最大的 晶格常数和最大的离子性。 CdTe具有闪锌
5、矿（ZnS）结构，键长0.2806nm, 晶格常数 0.6481nm,密度5.3g/cm3,熔点1365K。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 能隙宽度1.45eV，随温度变化为-1.7meV/K; CdTe 二元相图如下，熔点1365K。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 半导体材料光吸收系数 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池简介电池简介 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池电池 物理气相沉积法（physical vapor deposi
6、tion, PVD) 密闭空间升华法（Close-space sublimation, CSS) 气相传输沉积法（ Vapor transport deposition, VTD) 溅射 电解沉积法（Electron-deposition) 喷涂沉积法（Spray deposition) 有机金属化学气相沉积法（MOCVD） 丝网印刷沉积法（Screen-print deposition) 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 以物理机制来进行的技术。比如:蒸镀， 蒸镀源由固态转化为气态而沉积。 真空要求：高真空，10-6托 蒸镀源:CdTe,
7、CdS,或其他物质（Cd+Te2， Cd+S）。 蒸镀温度：使蒸镀源蒸发的温度，约 800度。 CdTe薄膜技术薄膜技术PVD 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术PVD 沉积速率：与基板温度有关，较高温度，粘附系数低，沉 积速率慢，温度较低，速率提高，但薄膜晶粒较小，故一 般基板温度100-400度。沉积速率：1微米/分钟 由于各元素平衡蒸汽压和蒸镀源配比差异，薄膜层元素配 比比较难以控制。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术CSS 密闭空
8、间升华法是生产高效率CdTe的主要方法 蒸镀源与基板距离较小，温度差较小，面积相同 薄膜配比与蒸镀源相似 基板温度450-600度，沉积速率1微米/分钟 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术VTD 气相传输沉积法利用CdTe受热挥发，在输运气体作用下运动到基体 表面，过饱和的Cd/Te蒸汽会凝结而沉积形成CdTe薄膜。 输运气体：N2，Ar, O2，He等 薄膜晶粒大，约为薄膜厚度 沉积速率快。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术Sputte
9、ring Deposition 溅镀法等离子体中高能离子（电场加速），在磁铁的磁力线作 用下，加速撞击CdTeb靶材，靶材溅射出来并沉积在基板上。 等离子体产生方法:DC, MW,RF 炉内压力：10mtorr 基板温度：300度 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术Electro Deposition 电沉积法：Cd2+及HTeO 2+电解质电化学反应，得到Cd及Te沉积 而成CdTe薄膜 HTeO+2+3H+4e-Te+2H2O Cd2+2e-Cd Cd+TeCdTe 控制电解质Cd,Te含量可控制薄膜成分比例 4
10、.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术Spray Deposition 室温下，将含有CdTe,CdCl2及丙二醇（CH3 CHOHCH2OH）化学涂料喷在基板上，经过高温 热处理及致密化过程，得到多孔结构CdTe薄膜 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术MOCVO 低压下，含有Cd,Te有机金属在反应炉中反映，并沉积在基 板上形成CdTe薄膜 有机金属：二甲基镉（Cd（CH3）2），二异丙基镉 沉积速率与反应炉温度有关。 4.2 CdTe薄膜材料
11、和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdTe薄膜技术薄膜技术Screen-print deposition 制备CdTe最简单的方法 将含有Cd, Te, CdCl2及有机结合剂的金属膏，通过印刷 版而印在基板上，干燥去除有机溶剂，再700度烧结， 最后得到10-20微米再结晶CdTe薄膜 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 CdCl2处理处理 改善晶粒大小、改善结晶结构，提高太阳电池转化效率 改善CdTe和CdS接面性能: CdTe和CdS扩散，接面形成 CdTe1-xSx合金模，导致CdS能隙降低，光穿透性降低
12、。 上述所有薄膜技术都必须CdCl2处理。 CdTe薄膜处在400度CdCl2环境下， 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe薄膜制备技术薄膜制备技术 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池结构电池结构玻璃基板玻璃基板 耐高温（600度），转化效率16%,不耐高温钠玻璃，12%;厚度2- 4mm 保护CdTe电池：免受外部环境侵蚀，提供电池机械支撑 通常玻璃表面镀抗反射膜增强光吸收 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池结构电池结构TCO 作用: 正面电极接触 材
13、料: SnO2, In2O3:Sn, Cd2SnO4 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池结构电池结构n-CdS CdS能隙宽度2.4eV, 吸收515nm光， 故称为窗口层 厚度：0.5微米 降低CdS光吸收途径:CdCl2处理，CdS+ZnS混合增加能隙 多晶结构导致顺向电流、局部并联分流 在TCO与CdS间增加高电阻透明氧化层 高电阻材料：SnO2, In2O3, Ga2O3,Zn2SnO4 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池结构电池结构p-CdTe 能隙宽度1.45eV 高
14、光吸收性能，吸收层 CdTe杂质浓度低于CdS,p-n结在CdTe内 厚度2-8微米 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe太阳能电池片的分析 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 First Solar (US) Calyxo (Germany) Abound Solar (US) Epir/Sunovia (US) CdTe PV 公司 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe 太阳能电池 效率 最高: 18% 生产的: 9-11% First Sol
15、ar期望在2012年能达到12 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 Structure - CdTe的SEM/EDS 分析 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 Strcuture - CdTe 的TEM分析 CdTe薄膜太阳能电池的TEM明场像。CdTe和阻挡层里的晶界和 内部缺陷很容易被观察到。 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池
16、 CdTe电池结构电池结构 更薄的薄膜(CdS, SnO2)的精确测量。由于衍射衬度效应在明 场像中可观察到晶 界和其他内部缺陷，如堆跺层错、孪晶、和位错。 Structure - CdTe 的TEM分析 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池结构电池结构背面接触电极背面接触电极 被电极材料: Al或Ag，提供低电阻连接 P-CdTe欧姆接触较难，Schottky二极管整流效应， 故电极很薄 步骤：刻蚀CdTe, 镀金属层， 热处理 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 4.2 CdTe薄膜材料和太阳电池薄膜材料和太阳电池 CdTe电池结构电池结构 CdTe电池未来发展电池未来发展 推广依赖效率改善、成本降低、模组稳定性 单接面电池向多接面电池发展 连续式模组生产工艺可降低成本。 4.2 CdT
