铜铟镓硒CIGS薄膜的制备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,铜铟镓硒(CIGS)薄膜的制备,内容介绍,1,、引言,2,、,CIGS,薄膜制备的几种主要方法,3,、方法比较及展望,1.,引言,1.1,背景,1.2 CIGS,简介,1.3 CIGS,薄膜太阳能电池结构,1.4 CIGS,太阳能电池的优势及应用,1.1,背景,太阳能电池发电原理,1.2 CIGS,简介,CulnSe,2,(CIS),属于,IIIIVI,族化合物，属于正方晶系黄铜矿结构，具有复式晶格，晶格常数,a=0.577nm,，,c=1.154nm,。,CIS,中引入,Ga,部分替代,In,形成,CIGS(CuIn,x,Ga,(1-x),Se,2,),，它是直接带隙半导体材料，带隙可在一较大范围内调节。作为光的吸收层，,CIGS,是薄膜电池的核心材料，,CIGS,晶体黄铜矿结构示意图,多元相图,1.3 CIGS,薄膜太阳能电池结构,CIGS,电池中异质结能带结构图,不同材料的光吸收系数,1.4 CIGS,太阳能电池的优势及应用,性能优点,导体禁带能隙在,1.01.7eV,之间可调,吸收系数高，达到,10,5,cm,-1,与缓冲层,CdS,有良好的晶格匹配,直接能隙，具有光子再循环效应,没有光致衰退效应,适应多种衬底材料,“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。,应用,贴在汽车上的,CIGS,太阳能电池,2.CIGS,薄膜材料的制备方法,真空工艺：,多源共蒸发法,溅射后硒化法,分子束外延法,化学气相沉积,非真空工艺：,电化学沉积,旋涂涂布法,丝网印刷法,喷墨打印法,2.1,多源共蒸发法,共蒸发是典型的物理气相沉积工艺,(PVD),。根据薄膜沉积过程,共蒸发可分为一步法、两步法和三步法。,共蒸发试验室设备示意图,In-Ga-Se,预置层,表面富,Cu,的,CIGS,薄膜,稍微贫铜的,p,型,CIGS,源物质,三步共蒸发法工艺路线,等化学计量比的,CIGS,1,、基底温度较低的情况下,(400),蒸发,In,、,Ga,、,Se,形成一层,In-Ga-Se,预置层。控制原子比例,In:Ga=0.7 0.3,In+Ga/Se=2:3;,3,、少量的,In,Ga,Se,沉积以形成少量贫铜的,CIGS,薄膜。,2,、升高基底温度到,570,蒸发,Cu,、,Se,。借助低熔点的,Cu,2-x,Se,，形成表面富,Cu,的,CIGS,薄膜。,(,In,Ga)(g)+Se(g)(In,1-x,Ga,x,),2,Se,3,(s)(1),(In,1-x,Ga,x,),2,Se,3,(s)+Cu(g)+Se(g),Cu(In,Ga)Se,2,(s)(2),Cu(In,Ga)Se,2,(s)+Cu,x,Se+(In,Ga)(g)+Se(g)Cu(In,Ga)Se,2,(s)(3),Prog.Photovolt:Res.Appl.2008;16:235239,2.2,溅射后硒化法,Cu-In-Ga,预制层的沉积,预制层硒化法,预制层硒化热处理,真空工艺,非真空工艺,叠层,合金,化合物,H,2,Se,气氛,Se,气氛,H,2,Se,Se,磁控溅射制备预制层：,氩气,靶材,基底,Cu,、,In,、,Ga,原子,Ar,+,CIG,预制层,辉光放电,磁控溅射系统示意图,工艺参数：气 压、溅射功率、,Ar,流量、溅射顺序,预制层的硒化：,H,2,Se,是最好的硒源,但具有毒性且容易挥发；固态,Se,作为硒源，,Se,压难以控制,在热处理过程中会导致,In,、,Ga,等元素的损失操作安全,设备简单。,真空硒化退火装置示意图,硒主要通过扩散进入薄膜内部与金属预置层的,Cu,、,In,、,Ga,元素反应生成,CuIn,x,Ga,1-x,Se,2,薄膜,阴极：,Mo/,钠钙玻璃衬底 阳极：,Pt,参比电极：饱和甘汞电极（,SCE,）,控制参数：各成分浓度、,PH,、温度、电沉积电位,电沉积时间,CuCl,2,、,InCl,3,、,GaCl,3,、,H,2,SeO,3,：,柠檬酸钠络合剂,LiCl,：支持电解质,2.3,电化学沉积,电解质溶液成分,CIGS,薄膜的电沉积制备通常被认为是在阴极上发生出如下反应,:,Cu,+2,+In,+3,+Ga,+3,+2H,2,SeO,3,+8H,+,Cu(In,Ga)Se,2,+6H,2,O,组成,CIGS,的四种元素电化学势如下,:,GaCl,3,SeCl,4,CuCl,2,InCl,3,45mM,60mM,7.5mM,55mM,温度,时间,阴极电位,65,150min,-0.2,到,-2.2v,Reline,试剂：氯化胆碱，尿素,沉积条件,:,结果：,2+m,的,Cu1.0(In,0.7,Ga,0.3,)Se,2,层，无微裂纹，光学性能良好。,One-pot electrodeposition,characterization and photoactivity of stoichiometric copper indium gallium diselenide(CIGS)thin films for solar cells.,J.Mater.Chem(2010),Kwak et al.Crystal Growth&Design,Vol.10,No.12,2010,Kwak et al.Crystal Growth&Design,Vol.10,No.12,2010,2.4,纳米晶墨水印刷法,该方法包括前驱物纳米晶墨水制备和薄膜的制作。,优点：,适于大规模应用,均匀的化学组成,高的制程良率,高的材料利用率,缺点,:,晶体质量较差；光电转化率相对较低,Thin solid films 431-432(2003)53-57,Thin solid films 431-432(2003)53-57,3.1,比较,普遍采用和制备出高效率电池的是共蒸发和后硒化法,.,其他方法沉积得到符合元素化学计量比的,CIGS,薄膜比较困难并且容易出现二元或一元杂相,影响了电池效率的进一步提高,.,溅射后硒化法被视作更理想的产业化路线,目前国际上生产线也多采用此方法,.,3.2,目前研究,Ger,US,Jap,大陆,NREL,Shell solar,Veeco,Nanosolar,IST,ZSW,Solibro solar,Surfurcell,Showa,Honda,南开光电子所,北大等离子所,中科院,孚日,台湾,铼德,SunShine PV,展望：,2010,年,9,月，德国研究机构,ZSW,宣布,其,CIG S,转化效率达到,20.3%,，使,CIGS,与多晶硅电池的效率差距缩小到只有,0.1%,。,ZSW,的实验室,参考文献,1,、,Udai P.Singh and Surya P.Patra.Progress in Polycrystall-ine Thin-Film Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells.International Journal of Photoenergy.2010.,2,、,V.K.Kapur et al.Thin Solid Films.431432(2003)5357,；,3,、,A.ROMEO ET AL.Prog.Photovolt:Res.Appl.2004,12:93111,；,4,、,Kwak et al.Crystal Growth&Design,2010,10,5297-5301,；,5,、,M.Chandramohan et al.Materials Science and Engineering B.174(2010)205208;,6,、郭杏元等,.CIGS,薄膜太阳能电池吸收层制备工艺综述,.,真空与低温,.2008,14(3):125-132;,7,、肖建平等,.CIGS,薄膜材料研究进展,.,西南民族大学学报,.2008,34(1):189-192.,Thank you,！,