新能源材料.pptx

11.1 引言引言11.2 材料性质材料性质11.3 太阳电池的结构及工作原理太阳电池的结构及工作原理11.4 薄膜材料及太阳电池的制备工艺薄膜材料及太阳电池的制备工艺11.5 薄膜太阳电池的发展现状和前景薄膜太阳电池的发展现状和前景11-族多晶薄膜太阳电池材料族多晶薄膜太阳电池材料11.1 11.1 引言引言引言引言 近年来光伏市场发展及其迅速。为了适应太近年来光伏市场发展及其迅速。为了适应太近年来光伏市场发展及其迅速。为了适应太近年来光伏市场发展及其迅速。为了适应太阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的阳电池高效率、低成本、大规模生产化发展的要求，最有效的办法是发展薄膜太阳电池技术。要求，最有效的办法是发展薄膜太阳电池技术。要求，最有效的办法是发展薄膜太阳电池技术。要求，最有效的办法是发展薄膜太阳电池技术。在薄膜光伏材料中，在薄膜光伏材料中，在薄膜光伏材料中，在薄膜光伏材料中，CdTeCdTe已成为公认的高效、已成为公认的高效、已成为公认的高效、已成为公认的高效、稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。稳定、廉价的薄膜光伏器件材料。2020世纪世纪世纪世纪7070年代开始，另一种制作薄膜太阳电年代开始，另一种制作薄膜太阳电年代开始，另一种制作薄膜太阳电年代开始，另一种制作薄膜太阳电池的新材料池的新材料池的新材料池的新材料CuInSeCuInSe2 2薄膜材料获得迅速发展。薄膜材料获得迅速发展。薄膜材料获得迅速发展。薄膜材料获得迅速发展。11.2 11.2 材料性质材料性质材料性质材料性质11.2.1 CdTe11.2.1 CdTe薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质1 1）结构性质）结构性质）结构性质）结构性质 CdTeCdTe是是是是-族化合物，是直接带隙材料，带隙为族化合物，是直接带隙材料，带隙为族化合物，是直接带隙材料，带隙为族化合物，是直接带隙材料，带隙为1.45eV1.45eV。且其光。且其光。且其光。且其光谱响应与太阳光谱十分吻合。谱响应与太阳光谱十分吻合。谱响应与太阳光谱十分吻合。谱响应与太阳光谱十分吻合。2 2）光学性质）光学性质）光学性质）光学性质 由于由于由于由于CdTeCdTe薄膜具有直接带隙结构，所以对波长小于吸收边的光，薄膜具有直接带隙结构，所以对波长小于吸收边的光，薄膜具有直接带隙结构，所以对波长小于吸收边的光，薄膜具有直接带隙结构，所以对波长小于吸收边的光，其光吸收系数极大。其光吸收系数极大。其光吸收系数极大。其光吸收系数极大。3 3）电学性质）电学性质）电学性质）电学性质 CdTeCdTe是是是是-族化合物半导体，其结构与族化合物半导体，其结构与族化合物半导体，其结构与族化合物半导体，其结构与SiSi、GeGe有相似之处，即有相似之处，即有相似之处，即有相似之处，即其晶体主要靠共价键合物结合，但具有一定的离子性。其晶体主要靠共价键合物结合，但具有一定的离子性。其晶体主要靠共价键合物结合，但具有一定的离子性。其晶体主要靠共价键合物结合，但具有一定的离子性。11.2.2 CdS11.2.2 CdS薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质1 1）结构性质）结构性质）结构性质）结构性质 CdSCdS是非常重要的是非常重要的是非常重要的是非常重要的-族化合物半导体材料。族化合物半导体材料。族化合物半导体材料。族化合物半导体材料。CdSCdS薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带薄膜具有纤锌矿结构，是直接带隙材料，带隙较宽，为隙较宽，为隙较宽，为隙较宽，为2.42eV2.42eV。实验证明，由于。实验证明，由于。实验证明，由于。实验证明，由于CdSCdS层吸收层吸收层吸收层吸收的光谱损失不仅和的光谱损失不仅和的光谱损失不仅和的光谱损失不仅和CdSCdS薄膜的厚度有关，还与薄膜的厚度有关，还与薄膜的厚度有关，还与薄膜的厚度有关，还与薄膜形成方式有关。薄膜形成方式有关。薄膜形成方式有关。薄膜形成方式有关。2 2）光学性质）光学性质）光学性质）光学性质 CdSCdS薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为薄膜广泛应用于太阳电池窗口层，并作为n n型层与型层与型层与型层与p p型材料形成型材料形成型材料形成型材料形成pnpn结，从而构成太阳电池。结，从而构成太阳电池。结，从而构成太阳电池。结，从而构成太阳电池。3）电学性质）电学性质 一般而言，本征一般而言，本征CdS薄膜的串联电阻很薄膜的串联电阻很高，不利于做窗口层，但当衬底温度在高，不利于做窗口层，但当衬底温度在300350之间时，将之间时，将In扩散入扩散入CdS中，本征中，本征CdS变成变成n-CdS，电导率可达，电导率可达102 S/cm。11.2.2 11.2.2 CuInSeCuInSe2 2薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质薄膜材料性质1 1）结构性质）结构性质）结构性质）结构性质 CuInSeCuInSe2 2是非常重要的是非常重要的是非常重要的是非常重要的-族化合物半导体材料。具族化合物半导体材料。具族化合物半导体材料。具族化合物半导体材料。具有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。有黄铜矿、闪锌矿两个同素异形的晶体结构。CuInSeCuInSe2 2是直接带隙半导体材料，是直接带隙半导体材料，是直接带隙半导体材料，是直接带隙半导体材料，77K77K时的带隙为时的带隙为时的带隙为时的带隙为1.04eV1.04eV，300K300K时为时为时为时为1.02eV1.02eV，带隙对温度变化不敏感。，带隙对温度变化不敏感。，带隙对温度变化不敏感。，带隙对温度变化不敏感。2 2）光学性质）光学性质）光学性质）光学性质 CuInSeCuInSe2 2具有一个具有一个具有一个具有一个0.95eV0.95eV1.04eV1.04eV的允许直接本征的允许直接本征的允许直接本征的允许直接本征吸收限和一个吸收限和一个吸收限和一个吸收限和一个1.27eV1.27eV的禁带直接吸收限，以及由于的禁带直接吸收限，以及由于的禁带直接吸收限，以及由于的禁带直接吸收限，以及由于DOW RedfiledDOW Redfiled效应而引起的在低吸收区的附加吸收。效应而引起的在低吸收区的附加吸收。效应而引起的在低吸收区的附加吸收。效应而引起的在低吸收区的附加吸收。3）电学性质）电学性质 CuInSe2材料的电学性质（电阻率、导材料的电学性质（电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率）主要取决电类型、载流子浓度、迁移率）主要取决于材料各元素组分比，以及由于偏离化学于材料各元素组分比，以及由于偏离化学计量比而引起的固有缺陷（如空位、填隙计量比而引起的固有缺陷（如空位、填隙原子、替位原子），此外还与非本征掺杂原子、替位原子），此外还与非本征掺杂和晶界有关。和晶界有关。11.3 太阳电池的结构及工作原理11.3.1 CdTe/CdS太阳电池 CdTe/CdS薄膜太阳电池参数的理论值为：开路电压（VOC）1050mV；短路电流（JSC）30.8mA/cm2；填充因子（FF）83.7；转换效率约27。下图列出典型CdTe/CdS太阳电池性能。11.3.2 CuInSe2太阳电池 近20年来，出现了多种以CuInSe2薄膜材料为基础得同质结太阳电池和异结太阳电池主要有：n-CdS/P-CuInSe2太阳电池Pin型CdS/CuInSe2太阳电池（ZnCd）S/CuInSe2太阳电池11.4 薄膜材料及太阳电池得制备工艺11.4.1 CdTe、CdS薄膜材料及CdS/CdTe太阳电池得制备方法 制备 CdS、CdTe薄膜方法主要有：CSS；电镀；丝网印刷；CVD（化学气相淀积）；PVD（物理气相淀积）；MOCVD（金属有机气相淀积）；MBE（分子束外延）；ALE（原子层外延）；喷涂；溅射；真空蒸发；电沉积等。CSS方法制备CdTe薄膜的优点是，蒸发材料损失少，结晶方向好，光伏特性优良。11.4.2 CdS/CdTe太阳电池制备中的主要影响因素1）CdCl2处理 在制作高效CdS/CdTe太阳电池中，CdTe层生长期间用CdCl2或Cl2进行热处理。CdCl2处理改善了太阳电池得性能，提高了器件得输出特性和均匀性。2）背接触 制备CdTe太阳电池工艺最难和最弱的部分是稳定的低电阻背接触。形成背接触电极的程序为：腐蚀或表面制备；使用含Cu、Hg、Pb或Au的膜；连续在大于150中热处理。11.4.3 CuInSe2薄膜生长工艺 CuInSe2薄膜生长方法主要有真空蒸发法、Cu-In合金膜的硒化处理法、封闭空间气相输运法、喷涂热解法、射频溅射法等。1）单源真空蒸发法2）双源真空蒸发法3）三源真空蒸发法4）封闭空间气相输运法(CSCVT)5）化学热还原法沉积Cu-In合金膜，进行硒化处理6）电镀法沉积Cu-In合金膜，进行硒化处理7）电沉积叠层结构，进行硒处理8）喷涂热解法和溅射法11.4.4 CdS/CuInSe2太阳电池制备中的主要影响因素1）衬底温度对薄膜结构的影响2）热处理对薄膜光学和电学特征的影响11.5 薄膜太阳电池的发展现状额前景1）CuInSe2薄膜太阳电池发展现状 目前，最好的CuInSe2薄膜太阳电池组件，面积为3832cm2。输出功率达到43.1W，转换效率为11.2，这一光伏方阵体现了薄膜技术优异性能高效率、低成本、高稳定和大面积使用。2 2）CdTeCdTe薄膜太阳电池发展现状薄膜太阳电池发展现状 CdTeCdTe薄膜太阳电池也是薄膜太阳电池中发展较薄膜太阳电池也是薄膜太阳电池中发展较快的一种光伏器件。许多国家的快的一种光伏器件。许多国家的CdTeCdTe薄膜太阳薄膜太阳电池已经由实验室研究阶段走向规模工业化生电池已经由实验室研究阶段走向规模工业化生产。我国的产。我国的CdTeCdTe薄膜太阳电池仍处于实验室基薄膜太阳电池仍处于实验室基础应用研究阶段。础应用研究阶段。3 3）发展前景）发展前景 光伏组件目前虽然以晶体硅太阳电池为主，但光伏组件目前虽然以晶体硅太阳电池为主，但由于薄膜太阳电池具有低成本、高效率、适合由于薄膜太阳电池具有低成本、高效率、适合规模化生产等优点而引起了广泛关注，不断投规模化生产等优点而引起了广泛关注，不断投入大量资金开发新产品，探索新工艺，硒铟铜入大量资金开发新产品，探索新工艺，硒铟铜太阳电池和碲化镉太阳电池是比较成功的薄膜太阳电池和碲化镉太阳电池是比较成功的薄膜太阳电池。太阳电池。本章完！本章完！本章完！本章完！本章完！