Солнечные элементы из селенида меди, индия, галлия - Copper indium gallium selenide solar cells

Ячейка CIGS на гибкой пластиковая основа. В других архитектурах используются жесткие панели CIGS, зажатые между двумя стеклянными панелями.

А солнечные элементы из селенида галлия, меди, индия (или же Ячейка CIGS, иногда CI (G) S или ячейка CIS) является тонкопленочный солнечный элемент используется для преобразования солнечного света в электрическую энергию. Его изготавливают путем нанесения тонкого слоя медь, индий, галлий и селен на стеклянной или пластиковой подложке, вместе с электродами спереди и сзади для сбора тока. Поскольку материал имеет высокую коэффициент поглощения и сильно поглощает солнечный свет, требуется гораздо более тонкая пленка, чем у других полупроводниковых материалов.

CIGS - одна из трех основных тонкопленочных фотоэлектрический (PV) технологии, два других теллурид кадмия и аморфный кремний. Как и эти материалы, слои CIGS достаточно тонкие, чтобы быть гибкими, что позволяет наносить их на гибкие подложки. Однако, поскольку во всех этих технологиях обычно используются методы высокотемпературного осаждения, лучшая производительность обычно достигается при нанесении ячеек на стекло, даже несмотря на то, что достижения в области низкотемпературного осаждения ячеек CIGS стерли большую часть этой разницы в характеристиках. CIGS превосходит поликремний на уровне ячейки, однако его модульная эффективность все еще ниже из-за менее зрелого апскейлинга.[1]

Доля рынка тонких пленок остается на уровне около 15 процентов, в результате чего остальной рынок фотоэлектрических панелей остается в ведении обычных солнечные батареи сделано из кристаллический кремний. В 2013 году рыночная доля только CIGS составляла около 2 процентов, а доля всех тонкопленочных технологий вместе взятых упала ниже 10 процентов.[2] Ячейки CIGS продолжают развиваться, поскольку они обещают достичь эффективности кремния, сохраняя при этом низкую стоимость, что типично для тонкопленочной технологии.[3] Видный производители фотогальваники CIGS были теперь обанкротившиеся компании Наносолнечный и Солиндра. Текущий лидер рынка - японская компания. Солнечная граница, с Global Solar и ГШК Солнечная также производство солнечных модулей, не содержащих тяжелых металлов, таких как кадмий и / или свинец.[4] Многие компании-производители солнечных панелей CIGS обанкротились.[5]

Характеристики

CIGS - это я -III -VI2 сложный полупроводниковый материал состоит из медь, индий, галлий, и селен. Материал - это Твердый раствор селенида меди-индия (часто сокращенно «СНГ») и селенида меди-галлия с химической формулой CuIn
ИксGa
(1-х)Se
2, где значение x может изменяться от 1 (чистый селенид меди-индия) до 0 (чистый селенид меди-галлия). Это тетраэдрически связанный полупроводник, с халькопирит Кристальная структура. В запрещенная зона постоянно меняется с Икс от примерно 1,0 эВ (для селенида меди-индия) до примерно 1,7 эВ (для селенида меди-галлия).[6]

Рисунок 1: Структура устройства CIGS. CdS используется необязательно, и некоторые ячейки CIGS не содержат кадмий вообще.[7]

CIGS имеет исключительно высокий коэффициент поглощения более 105/ см для фотонов с энергией 1,5 эВ и более.[8] Солнечные элементы CIGS с эффективностью около 20% были заявлены Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий (Empa) и немецкий Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) (перевод: Центр солнечной энергии и исследований водорода), что на сегодняшний день является рекордом для любого тонкопленочный солнечный элемент.[9][10]

Структура

Наиболее распространенная структура устройства солнечных элементов CIGS показана на схеме. (см. Рисунок 1: Структура устройства CIGS). Натриево-известковое стекло примерно из 1–3Милфлиметры толщина обычно используется в качестве подложки, потому что листы стекла содержит натрий, который, как было показано, приводит к значительному увеличению напряжения холостого хода,[11] в частности, за счет пассивации поверхностных и зернограничных дефектов.[12] Однако многие компании также ищут более легкие и гибкие подложки, такие как полиимид или металлическая фольга.[13] А молибден (Mo) металлический слой наносится (обычно распыление ), который служит обратный контакт и отражает большую часть непоглощенного света обратно в поглотитель CIGS. После осаждения молибдена a р-тип Слой поглотителя CIGS выращивается одним из нескольких уникальных методов. Тонкий n-тип буферный слой добавлен поверх поглотителя. Буфер обычно сульфид кадмия (CdS) депонировано через химическое осаждение в ванне. Буфер покрыт тонкой внутренней оксид цинка слой (i-ZnO), который покрыт более толстым, алюминий (Al) легированный слой ZnO. Слой i-ZnO используется для защиты CdS и слоя поглотителя от повреждения распылением при нанесении оконного слоя ZnO: Al, поскольку последний обычно наносится путем распыления на постоянном токе, известного как процесс повреждения.[14] ZnO, легированный алюминием, служит прозрачным проводящим оксидом, собирающим и перемещающим электроны из ячейки, поглощая при этом как можно меньше света.

CuInSe2-основные материалы, которые представляют интерес для фотоэлектрических приложений, включают несколько элементов из групп I, III и VI в периодическая таблица. Эти полупроводники особенно привлекательны для солнечной энергетики из-за их высоких коэффициентов оптического поглощения и универсальных оптических и электрических характеристик, которыми, в принципе, можно манипулировать и настраивать для конкретных потребностей данного устройства.[15]

Эффективность преобразования

CIGS в основном используется в виде поликристаллический тонкие пленки. Максимальный КПД, достигнутый по состоянию на сентябрь 2014 года, составил 21,7%.[16] Команда из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии достигла 19,9%, что является рекордом на то время.[17] изменив поверхность CIGS и сделав ее похожей на CIS.[18] Эти образцы были нанесены на стекло, что означало, что изделия не были механически гибкими. В 2013 году ученые из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий разработали ячейки CIGS на гибкой полимерной пленке с новым рекордом эффективности 20,4%.[19] Они демонстрируют высочайшую эффективность и максимальную гибкость.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США подтвердила эффективность модуля 13,8% для производственной панели большой площади (квадратный метр) и эффективность 13% общей площади (и 14,2% площади апертуры) для некоторых производственных модулей.[18] В сентябре 2012 г. Manz AG представила солнечный модуль CIGS с КПД 14,6% по всей поверхности модуля и 15,9% по апертуре, который был произведен на заводе массового производства.[20] MiaSolé получила сертифицированную эффективность площади апертуры 15,7% на 1 м2 производственный модуль,[21] и Солнечная граница заявленная эффективность 17,8% на 900 см2 модуль.[22]

Более высокий КПД (около 30%) можно получить, используя оптику для концентрировать падающий свет. Использование галлия увеличивает оптическую ширину запрещенной зоны слоя CIGS по сравнению с чистым CIS, тем самым увеличивая напряжение холостого хода.[18][23] Относительное содержание галлия по сравнению с индием снижает затраты.

Лабораторная запись эффективности CIGS по субстрату (а)
СубстратСтеклоСталиАлюминийПолимер
Эффективность22.9%17.7%16.2%20.4%
ИнститутСолнечная граница(б)EmpaEmpaEmpa
Источник: Swissolar, Флисом - презентация ноябрь 2014 г.[24]
Примечание: (а) лабораторная ячейка с ~ 0,5 см2, (б) http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html

Сравнение

Обычный кристаллический кремний

В отличие от обычных кристаллический кремний ячеек на основе гомосоединение структура ячеек CIGS более сложная гетеропереход система. А прямая запрещенная зона материал, CIGS имеет очень сильное поглощение света и слой всего 1-2 микрометры (мкм) достаточно, чтобы поглотить большую часть солнечного света. Для сравнения, для кристаллического кремния требуется гораздо большая толщина - около 160–190 мкм.

Активный слой CIGS может быть нанесен в поликристаллический образуются непосредственно на молибдене (Mo) покрытый на различных подложках, таких как листы стекла, стальные ленты и полиэтиленовые пленки из полиимида. Это потребляет меньше энергии, чем плавление большого количества кварцевого песка в электрических печах и выращивание крупных кристаллов, необходимых для обычных кремниевых элементов, и, таким образом, снижает его срок окупаемости энергии существенно. Также в отличие от кристаллического кремния эти подложки могут быть гибкий.[25]

В очень конкурентоспособная фотоэлектрическая промышленность давление на Производители CIGS, что привело к банкротству нескольких компаний, так как в последние годы цены на обычные кремниевые элементы стремительно падали. Однако солнечные элементы CIGS стали такими же эффективный в качестве мультикристаллический кремний клетки - наиболее распространенный вид солнечных батарей. CIGS и CdTe-PV остаются единственными коммерчески успешными тонкопленочными технологиями в мировом быстрорастущий рынок фотоэлектрических систем.

Другие тонкие пленки

В фотовольтаике «тонкость» обычно относится к так называемым высокоэффективным кремниевым элементам «первого поколения», которые изготавливаются из объемных пластин толщиной в сотни микрометров.[26] Тонкие пленки приносят в жертву эффективность улавливания света, но используют меньше материала.[27] В CIGS компромисс эффективности менее серьезен, чем в кремнии. Рекордная эффективность для тонкопленочных ячеек CIGS немного ниже, чем у CIGS для лабораторных ячеек с максимальной производительностью. В 2008 году эффективность CIGS была намного выше, чем у других тонкопленочных технологий, таких как фотогальваника с теллуридом кадмия (CdTe) или аморфный кремний (как и я).[17] Солнечные элементы CIS и CGS имеют общий КПД по площади 15,0% и 9,5%,[28] соответственно. В 2015 году разрыв с другими тонкопленочными технологиями был ликвидирован, и в лабораториях была достигнута рекордная эффективность ячеек: 21,5% для CdTe (FirstSolar) и 21,7% для CIGS (ZSW). (Смотрите также Таблица эффективности ячейки лучших исследований NREL.[29])

Характеристики

Все высокоэффективные поглотители CIGS в солнечных элементах имеют сходство независимо от технологии производства. Во-первых, они поликристаллический α-фаза, имеющая халькопирит кристаллическая структура, показанная на рисунке 3. Второе свойство - это общая Cu дефицит.[30] Дефицит Cu увеличивает основной оператор (дырок) за счет увеличения количества (электроноакцепторных) вакансий Cu. Когда пленки CIGS богаты (с дефицитом Cu), поверхностный слой пленки образует упорядоченное дефектное соединение (ODC) с стехиометрия из Cu (In, Ga)
3Se
5. ODC является n-типом, образуя p-n гомопереход в пленке на границе между α-фазой и ODC. В скорость рекомбинации на интерфейсе CIGS / CdS уменьшается из-за наличия гомоперехода. Уменьшение рекомбинации на границе раздела, связанное с образованием ODC, продемонстрировано экспериментами, которые показали, что рекомбинация в объеме пленки является основным механизмом потерь в пленках с дефицитом Cu, в то время как в пленках с высоким содержанием Cu основные потери происходят на границе раздела CIGS / CdS.[30][31]

Рисунок 3: Элементарная ячейка CIGS. Красный = Cu, Желтый = Se, Синий = In / Ga

Включение натрия необходимо для оптимальной работы. Идеальной считается концентрация Na примерно 0,1%. Na обычно поставляется натриево-известковое стекло субстрат, но в процессах, которые не используют этот субстрат, Na должен добавляться намеренно. Благоприятные эффекты Na включают увеличение p-типа проводимость, текстура, и средний размер зерна. Кроме того, включение Na позволяет поддерживать рабочие характеристики в больших количествах. стехиометрический отклонения.[8] Моделирование предсказало, что Na на сайте In создает неглубокий акцепторный уровень и что Na служит для удаления In на дефектах Cu (донорах), но причины этих преимуществ спорны. Na также приписывают катализатор кислород абсорбция. Кислород пассивирует вакансии Se, которые действуют как компенсирующие доноры и центры рекомбинации.

Легирование СНГ (CuInSe2) с ХГС (CuGaSe2) увеличивает запрещенную зону. Для достижения идеальной ширины запрещенной зоны для солнечного элемента с одним переходом, 1,5 эВ, оптимальным является соотношение Ga / (In + Ga) примерно 0,7. Однако при коэффициентах выше ~ 0,3 производительность устройства падает. В настоящее время промышленность нацелена на соотношение 0,3 Ga / (In + Ga), в результате чего ширина запрещенной зоны составляет от 1,1 до 1,2 эВ. Постулировано, что снижение производительности является результатом того, что CGS не формирует ODC, что необходимо для хорошего интерфейса с CdS.[30]

Устройства с наивысшей эффективностью демонстрируют существенное текстурирование кристаллографический ориентация. Ориентация поверхности (204) наблюдается в приборах лучшего качества.[8] Гладкая поверхность поглотителя предпочтительна для максимального увеличения отношения освещенной площади к площади границы раздела. Площадь границы раздела увеличивается с увеличением шероховатости, в то время как освещенная площадь остается постоянной, уменьшаясь. холостое напряжение (VOC). Исследования также связывают увеличение плотности дефектов с уменьшением VOC. Было высказано предположение, что в рекомбинации в CIGS преобладают безызлучательные процессы. Теоретически рекомбинацию можно контролировать, создав пленку, и она является внешней по отношению к материалу.[32]

Производство

Кинопроизводство

Самый распространенный вакуум Процесс, основанный на совместном испарении или совместном напылении меди, галлия и индия на подложку при комнатной температуре, затем отжиг полученной пленки с парами селенида. Альтернативный процесс - совместное испарение меди, галлия, индия и селена на нагретой подложке.

Альтернативный процесс отложения без использования вакуума наночастицы из предшественник материалы по субстрат а потом агломераты их на месте. Гальваника - еще одна недорогая альтернатива применению слоя CIGS.

В следующих разделах описаны различные методы обработки осаждения прекурсоров, включая напыление металлических слоев при низких температурах, печать красок, содержащих наночастицы, электроосаждение и техника, вдохновленная склеиванием пластин.

Селенизация

Подача селена и среда селенизации важны для определения свойств и качества пленки. Когда Se подается в газовой фазе (например, как H2Se или элементарный Se) при высоких температурах Se включается в пленку за счет поглощения и последующей диффузии. На этом этапе, называемом халькогенизацией, происходят сложные взаимодействия с образованием халькогенид. Эти взаимодействия включают образование Cu-In-Ga интерметаллид сплавы, образование промежуточных бинарных соединений селенида металлов и разделение фаз различных стехиометрических соединений CIGS. Свойства пленки CIGS трудно контролировать из-за разнообразия и сложности реакций.[8]

Источник Se влияет на свойства получаемой пленки. ЧАС2Se предлагает самое быстрое включение Se в поглотитель; 50 ат.% Se может быть достигнуто в пленках CIGS при температурах до 400 ° C. Для сравнения, элементарный Se достигает полного включения только при температурах реакции выше 500 ° C. Пленки, образованные при более низких температурах из элементарного Se, содержали дефицит селена, но имели несколько фаз, включая селениды металлов и различные сплавы. Использование H2Se обеспечивает наилучшую однородность состава и самый крупный размер зерна. Однако H2Se очень токсичен и классифицируется как экологическая опасность.

Напыление металлических слоев с последующей селенизацией

В этом методе металлическая пленка из Cu, In и Ga распыляется при комнатной температуре или около нее и реагирует в атмосфере Se при высокой температуре. Этот процесс имеет более высокую производительность, чем совместное испарение, и добиться однородности состава легче.

Распыление многослойного металлического слоя, например структуры Cu / In / Ga / Cu / In / Ga ..., обеспечивает более гладкую поверхность и лучшую кристалличность в поглотителе по сравнению с простым двухслойным слоем (сплав Cu-Ga / In) или трехслойное (Cu / In / Ga) напыление. Эти атрибуты приводят к устройствам с более высокой эффективностью, но формирование многослойного материала является более сложным процессом осаждения и не требует дополнительного оборудования или дополнительной сложности процесса.[30] Кроме того, скорости реакции слоев Cu / Ga и Cu / In с Se различаются. Если температура реакции недостаточно высока или не выдерживается достаточно долго, CIS и CGS образуются как отдельные фазы.

Компании, которые в настоящее время использовали аналогичные процессы, включают Showa Shell, Авансис (теперь филиал Сен-Гобен Группа[33]), Miasolé, Honda Soltec и Energy Photovoltaics (EPV).[34] Showa Shell распылила слой сплава Cu-Ga и слой In с последующей селенизацией в H2Se и сульфуризация в H2S. Стадия сульфуризации пассивирует поверхность аналогично CdS в большинстве других клеток. Таким образом, используемый буферный слой не содержит Cd, что исключает любое воздействие Cd на окружающую среду. Showa Shell сообщила о максимальной эффективности модуля 13,6% при среднем уровне 11,3% для 3600 см.2 субстраты.[13] Shell Solar использует ту же технику, что и Showa Shell, для создания поглотителя; однако их слой CdS образуется в результате химического осаждения из паровой фазы. Модули, продаваемые Shell Solar, заявляют, что эффективность модулей составляет 9,4%.

Миасоле привлекла венчурные фонды для своего процесса и расширения. Рекордный модуль апертурной эффективности 17,4% был подтвержден Fraunhofer в 2019 году.[35]

EPV использует гибрид совместного испарения и распыления, при котором In и Ga испаряются в атмосфере Se. Затем следует распыление и селенизация Cu. Наконец, In и Ga снова испаряются в присутствии Se. Согласно измерениям Холла, эти пленки имеют низкую концентрацию носителей заряда и относительно высокую подвижность. Пленки EPV имеют низкую концентрацию дефектов.

Халькогенизация слоев-предшественников в виде твердых частиц

В этом методе в качестве прекурсоров для роста CIGS используются наночастицы металлов или оксидов металлов. Эти наночастицы обычно суспендируют в растворе на водной основе, а затем наносят на большие площади различными методами, такими как печать. Затем пленку дегидратируют и, если прекурсоры представляют собой оксиды металлов, восстанавливают в H2/ N2 Атмосфера. После обезвоживания оставшаяся пористая пленка спеченный и селенизируется при температурах выше 400 ° C.[30][32][36]

Наносолнечный и Международная солнечная электрическая технология (ISET) безуспешно пыталась масштабировать этот процесс.[13] ISET использует частицы оксида, в то время как Nanosolar не обсуждает свои чернила. Преимущества этого процесса включают однородность на больших площадях, невакуумное или низковакуумное оборудование и возможность адаптации к рулонный изготовление. По сравнению с ламинарными слоями-предшественниками металла спеченные наночастицы селенизируются быстрее. Повышенная скорость является результатом большей площади поверхности, связанной с пористость. Пористость обеспечивает более грубую поверхность поглотителя. Использование прекурсоров в виде твердых частиц позволяет печатать на самых разных материалах с коэффициентом использования 90% и более. Небольшие исследования и разработки поддерживали эту технику.

Nanosolar сообщил об эффективности клеток (не модуля) в 14%, однако это не было подтверждено ни одним национальная лаборатория тестирование, и они не разрешили инспекции на месте. В независимом тестировании[32] Абсорбер ISET имел 2-й по величине КПД 8,6%. Однако все модули, превосходящие модуль ISET, подвергались совместному испарению, что имеет производственные недостатки и более высокую стоимость. Образец ISET больше всего пострадал от низкого VOC и низкий коэффициент заполнения, что указывает на шероховатую поверхность и / или большое количество дефектов, способствующих рекомбинации. В связи с этими проблемами пленка имела плохие транспортные свойства, в том числе низкую подвижность Холла и короткое время жизни носителей.

Электроосаждение с последующей селенизацией

Прекурсоры могут быть нанесены электроосаждением. Существуют две методики: нанесение элементарных слоистых структур и одновременное нанесение всех элементов (включая Se). Оба метода требуют термической обработки в атмосфере Se для получения пленок аппаратного качества. Поскольку для электроосаждения требуется токопроводящий электроды, металлическая фольга является логической подложкой. Электроосаждение элементарных слоев аналогично распылению элементарных слоев.

Для одновременного напыления используется рабочий электрод (катод ), противоэлектрод (анод ), и электрод сравнения, как на рисунке 4. Подложка из металлической фольги используется в качестве рабочего электрода в промышленных процессах. Инертный материал обеспечивает противоэлектрод, а электрод сравнения измеряет и регулирует потенциал. Электрод сравнения позволяет выполнять процесс потенциостатически, что позволяет контролировать потенциал подложки.[30]

Рисунок 4: Аппарат электроосаждения CIGS

Одновременное электроосаждение должно преодолевать тот факт, что стандартные восстановительные потенциалы элементов не равны, что приводит к предпочтительному осаждению одного элемента. Эта проблема обычно устраняется добавлением противодействующих ионов в раствор для каждого осаждаемого иона (Cu2+, Se4+, В3+, и Ga3+), тем самым изменяя потенциал восстановления этого иона. Кроме того, система Cu-Se имеет сложное поведение, и состав пленки зависит от содержания Se4+/ Cu2+ коэффициент ионного потока, который может изменяться по поверхности пленки. Это требует оптимизации концентрации прекурсора и потенциала осаждения. Даже при оптимизации воспроизводимость на больших площадях низкая из-за вариаций состава и возможных падений на подложке.

Полученные пленки имеют мелкие зерна, богаты Cu и обычно содержат Cu.2-хSeИкс фаз вместе с примесями из раствора. Отжиг требуется для улучшения кристалличности. Для КПД выше 7% требуется поправка на стехиометрию. Первоначально корректировка производилась с помощью физического осаждения из паровой фазы при высокой температуре, что нецелесообразно в промышленности.

Solopower в настоящее время производит клетки с эффективностью преобразования> 13,7% согласно NREL.[37]

Комбинация прекурсоров с помощью техники склеивания пластин

Рисунок 5: Схема методики склеивания пластин.

В этом процессе две разные пленки-предшественники наносятся отдельно на подложку и суперстрат. Пленки сжимаются и нагреваются, чтобы высвободить пленку из многоразовой суперстраты, оставляя на подложке поглотитель CIGS (рис. 5). Гелиовольт запатентовал эту процедуру и назвал ее процессом FASST. В принципе, предшественники можно осаждать при низкой температуре с использованием недорогих методов осаждения, что снижает стоимость модуля. Однако первые поколения продуктов используют методы PVD при более высоких температурах и не обеспечивают полного сокращения затрат. В конечном итоге в этом процессе можно будет использовать гибкие подложки.

Типичные характеристики пленки неизвестны за пределами компании, поскольку независимые лаборатории не проводили исследований. Однако Heliovolt заявила, что максимальная эффективность ячейки составляет 12,2%.

Совместное испарение

Совместное испарение или соосаждение - наиболее распространенный метод изготовления CIGS. Боинг В процессе совместного испарения на нагретую подложку наносятся бислои CIGS с различной стехиометрией, что позволяет им перемешиваться.

NREL разработал еще один процесс, который включает три этапа осаждения, и установил текущий рекорд эффективности CIGS на уровне 20,3%. Первым шагом в методе NREL является совместное расположение In, Ga и Se. Затем при более высокой температуре осаждают Cu и Se, чтобы обеспечить диффузию и перемешивание элементов. На заключительной стадии снова осаждаются In, Ga и Se, чтобы сделать общий состав Cu дефицитным.[30]

Würth Solar начал производство ячеек CIGS с использованием встроенной системы совместного выпаривания в 2005 году с эффективностью модуля от 11% до 12%. Они открыли еще одно производство и продолжили повышать эффективность и доходность. Другие компании, расширяющие процессы совместного испарения, включают: Global Solar и Ascent Solar.[34] Global Solar использовала поточный трехступенчатый процесс осаждения. На всех стадиях Se подается в паровой фазе в избытке. Сначала испаряются In и Ga, затем Cu, а затем In и Ga, чтобы сделать пленку дефицитной по Cu. Эти пленки показали хорошие результаты по сравнению с другими производителями и поглотителями, выращенными в NREL и Институте преобразования энергии (IEC).[32] Однако модули из фильмов Global Solar не показали хороших результатов. Свойство, в котором модуль наиболее явно недооценивал, было низким VOC, что характерно для высокой плотности дефектов и высоких скоростей рекомбинации. Слой поглотителя Global Solar превзошел поглотитель NREL по сроку службы носителей и подвижности холла. Однако в качестве заполненных ячеек образец NREL работал лучше. Это свидетельствует о плохом интерфейсе CIGS / CdS, возможно, из-за отсутствия поверхностного слоя ODC на пленке Global Solar.

К недостаткам относятся проблемы с однородностью на больших площадях и связанные с этим трудности с одновременным испарением элементов во встроенной системе. Кроме того, высокие температуры роста увеличивают тепловой баланс и затраты. Кроме того, совместное испарение затруднено низким использованием материала (осаждение на стенках камеры вместо подложки, особенно для селена) и дорогим вакуумным оборудованием.[13][36] Способом увеличения утилизации селена является процесс термического или плазменного крекинга селена,[38][39] который может сочетаться с источник ионного пучка за ионно-лучевое осаждение.[40]

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) был реализован несколькими способами для нанесения CIGS. Процессы включают металлоорганическое CVD при атмосферном давлении (AP-MOCVD ), сердечно-сосудистые заболевания с плазменным усилением (PECVD ), MOCVD низкого давления (LP-MOCVD) и MOCVD с помощью аэрозоля (AA-MOCVD). Исследования пытаются переключиться с прекурсоров с двумя источниками на прекурсоры с одним источником.[30] Прекурсоры из нескольких источников должны быть гомогенно смешаны, и скорость потока прекурсоров должна поддерживаться на должном уровне стехиометрии. Способы с использованием предшественников из одного источника лишены этих недостатков и должны обеспечивать лучший контроль состава пленки.

По состоянию на 2014 год CVD не использовался для коммерческого синтеза CIGS. Пленки, полученные методом CVD, имеют низкую эффективность и низкий VOC, частично из-за высокой концентрации дефектов. Кроме того, поверхности пленки, как правило, довольно шероховатые, что еще больше снижает VOC. Однако необходимый дефицит Cu был достигнут с использованием AA-MOCVD наряду с ориентацией кристалла (112).

Температуры осаждения CVD ниже, чем температуры, используемые для других процессов, таких как совместное испарение и селенизация металлических прекурсоров. Следовательно, CVD имеет более низкий тепловой бюджет и меньшие затраты. Потенциальные производственные проблемы включают трудности преобразования CVD в поточный процесс, а также расходы на обращение с летучими прекурсорами.

Электрораспыление

Фильмы СНГ могут быть произведены электроспрей осаждение. Этот метод включает распыление чернил, содержащих наночастицы CIS, непосредственно на подложку с помощью электрического поля с последующим спеканием в инертной среде.[41] Основным преимуществом этого метода является то, что процесс происходит при комнатной температуре, и его можно связать с какой-либо системой непрерывного или массового производства, например, с механизмом производства рулонов.[42]

Пассивирование задней поверхности

Концепция пассивирования задней поверхности солнечных элементов CIGS демонстрирует потенциал повышения эффективности. Концепция задней пассивации была взята из технологии пассивации кремниевых солнечных элементов.[43] В качестве пассивирующих материалов использовались Al2O3 и SiO2. Наноразмерные точечные контакты на слое Al2O3 [44] и линейные контакты на слое SiO2 [45] обеспечить электрическое соединение поглотителя CIGS с задним электродом из молибдена. Точечные контакты на слое Al2O3 создаются электронно-лучевой литографией, а линейные контакты на слое SiO2 создаются с помощью фотолитографии. Также видно, что реализация слоев пассивирования не меняет морфологию слоев CIGS.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Грин, Мартин А. и др. «Таблицы эффективности солнечных элементов (версия 50)». Прогресс в фотогальванике: исследования и приложения 25.7 (2017): 668-676.
  2. ^ "Отчет о фотоэлектрических элементах, Fraunhofer ISE, 28 июля 2014 г., страницы 18,19" (PDF).
  3. ^ Андорка, Франк (2014-01-08). "Упрощенные солнечные элементы CIGS". www.solarpowerworldonline.com/. Мир солнечной энергии. Архивировано из оригинал 19 августа 2014 г.. Получено 16 августа 2014.
  4. ^ «СНГ - Экология». Солнечная граница. Получено 8 июля 2015.
  5. ^ "TSMC прекращает производство тонкопленочных солнечных батарей CIGS". www.greentechmedia.com.
  6. ^ Tinoco, T .; Rincón, C .; Quintero, M .; Перес, Г. Санчес (1991). «Фазовая диаграмма и оптические энергетические щели для сплавов CuInyGa1 − ySe2». Physica Status Solidi A. 124 (2): 427. Bibcode:1991PSSAR.124..427T. Дои:10.1002 / pssa.2211240206.
  7. ^ Solar-Frontier.com Преимущества СНГ В архиве 2014-11-03 в Wayback Machine
  8. ^ а б c d Стэнбери, Б. Дж. (2002). «Селениды меди и индия и родственные материалы для фотоэлектрических устройств». Критические обзоры в области твердого тела и материаловедения. 27 (2): 73. Bibcode:2002CRSSM..27 ... 73S. Дои:10.1080/20014091104215.
  9. ^ Репины, И .; Contreras, Miguel A .; Эгаас, Брайан; Дехарт, Клей; Шарф, Джон; Perkins, Craig L .; К, Бобби; Нуфи, Роммель (2008). «Солнечный элемент ZnO / CdS / CuInGaSe2 с КПД 19,9% и коэффициентом заполнения 81,2%». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 16 (3): 235. Дои:10.1002 / пункт.822. Сложить резюме.
  10. ^ ZSW: пресс-релизы. Zsw-bw.de. Проверено 13 сентября 2011.
  11. ^ Hedström J .; Ohlsen H .; Bodegard M .; Kylner A .; Stolt L .; Hariskos D .; Ruckh M .; Schock H.W. (1993). Тонкопленочные солнечные элементы ZnO / CdS / Cu (In, Ga) Se2 с улучшенными характеристиками. Материалы 23-й конференции специалистов по фотоэлектрической технике IEEE. С. 364–371. Дои:10.1109 / PVSC.1993.347154. ISBN  978-0-7803-1220-3.
  12. ^ Кроник Л .; Cahen D .; Schock H.W. (1998). «Влияние натрия на поликристаллический Cu (In, Ga) Se2 и его характеристики солнечного элемента». Современные материалы. 10: 31–36. Дои:10.1002 / (SICI) 1521-4095 (199801) 10: 1 <31 :: AID-ADMA31> 3.0.CO; 2-3.
  13. ^ а б c d Дере, Нилкант Г. (2007). «К ГВт / год производства CIGS в течение следующего десятилетия». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 91 (15–16): 1376. Дои:10.1016 / j.solmat.2007.04.003.
  14. ^ Курей Н. Ф .; Кушия К., Фудзимаки А., Сугияма И., Миура Т., Окумура Д., Сато М., Оошита М. и Ямасе О. (1997). «Пленки ZnO большой площади, оптимизированные для тонкопленочных мини-модулей на основе Cu (InGa) Se2 с измененной шириной запрещенной зоны». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 49 (1–4): 291–297. Дои:10.1016 / S0927-0248 (97) 00055-X.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  15. ^ "Тонкопленочный солнечный элемент с гетеропереходом CuInSe2 / Cd (Zn) S: характеристика и моделирование", Мурат Незир Эрон, PhD. Диссертация, Университет Дрекселя, 1984, Филадельфия
  16. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2015-04-24. Получено 2015-06-03.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  17. ^ а б «Характеристика поглотителей CIGS с КПД 19,9%» (PDF). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Май 2008 г.. Получено 10 февраля 2011.
  18. ^ а б c «Состояние и будущее фотоэлектрической индустрии» (PDF). Дэвид Э. Карлсон, главный научный сотрудник, BP Solar, 14 марта 2010 г.. Получено 10 февраля 2011.
  19. ^ «Empa выводит тонкопленочные солнечные элементы на новый уровень - новый мировой рекорд эффективности солнечных элементов». Empa. 18 января 2013 г.. Получено 8 июля 2015.
  20. ^ 10 самых эффективных в мире модулей CI (G) S В архиве 2013-01-24 в Wayback Machine. Solarplaza.com. Проверено 18 февраля 2013.
  21. ^ Миасоле. «MiaSolé достигает 15,7% эффективности с помощью коммерческих тонкопленочных солнечных модулей CIGS» (PDF). Получено 30 ноября 2012.
  22. ^ Солнечная граница. «Solar Frontier устанавливает новый мировой рекорд эффективности». Получено 30 ноября 2012.
  23. ^ "Таблицы эффективности солнечных элементов, версия 33" (PDF). Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST). Получено 10 февраля 2011.
  24. ^ "Flisom: гибкий PV от лаборатории до фабрики" (PDF). Flisom AG. 4 ноября 2014. с. 4.
  25. ^ "Первые продажи" самых дешевых солнечных элементов в мире'". Мир химии февраль 2008 г.. Получено 6 апреля 2011.
  26. ^ США 20090223551  патент
  27. ^ Нурул Амзиа Мд Юнус; Ник Хасниза Ник Аман; Нима Хошсират (2015). «Сравнение тонкопленочных солнечных элементов и диселенида меди, индия, галлия в Юго-Восточной Азии». Производство возобновляемой энергии ИЭПП. 9 (8): 1079–1086. Дои:10.1049 / iet-rpg.2015.0114.
  28. ^ Янг, Д. Л .; Кин, Джеймс; Дуда, Анна; Abushama, Jehad A.M .; Perkins, Craig L .; Ромеро, Мануэль; Нуфи, Роммель (2003). «Повышенная производительность в тонкопленочных солнечных элементах ZnO / CdS / CuGaSe2». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 11 (8): 535. Дои:10.1002 / пункт. 516. Сложить резюме.
  29. ^ Диаграмма NREL лучшей эффективности исследовательских ячеек http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
  30. ^ а б c d е ж грамм час Кемелл, Марианна; Ритала, Микко; Лескеля, Маркку (2005). "Методы осаждения тонких пленок для солнечных элементов CuInSe2". Критические обзоры в области твердого тела и материаловедения. 30 (1): 1. Bibcode:2005CRSSM..30 .... 1K. Дои:10.1080/10408430590918341.
  31. ^ Ихлал, А; Буабид, К; Soubane, D; Ния, М; Aittalebali, O; Амира, Y; Outzourhit, А; Ноуэ, G (2007). «Сравнительное исследование напыленных и электроосажденных тонких пленок CI (S, Se) и CIGSe». Тонкие твердые пленки. 515 (15): 5852. Bibcode:2007TSF ... 515.5852I. Дои:10.1016 / j.tsf.2006.12.136.
  32. ^ а б c d Репин, И. Л .; Stanbery, B.J .; Янг, Д. Л .; Li, S. S .; Metzger, W. K .; Perkins, C.L .; Shafarman, W. N .; Beck, M.E .; Chen, L .; Капур, В.К .; Tarrant, D .; Gonzalez, M.D .; Jensen, D.G .; Андерсон, Т. Дж .; Ван, X .; Kerr, L. L .; Киз, Б .; Asher, S .; Delahoy, A .; фон Родерн, Б. (2006). «Сравнение производительности устройства и измеренных транспортных параметров в солнечных элементах на основе Cu (In, Ga) (Se, S), которые широко варьируются». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 14: 25. Дои:10.1002 / пункт. 654.
  33. ^ "История Авансиса". avancis.de. Получено 25 августа 2012.
  34. ^ а б Ulal, H. S .; фон Родерн, Б. (2008). «Актуальные вопросы коммерциализации тонкопленочных фотоэлектрических технологий». Твердотельная технология. 51 (2): 52–54.
  35. ^ Марк Хатчинс, «Miasolé устанавливает новый рекорд гибкости CIGS», PV Magazine 2019
  36. ^ а б Дербишир, К. (2008). «Государственная политика для инженеров: солнечная промышленность зависит от доброй воли политиков». Твердотельная технология. 51: 32.
  37. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-09-03. Получено 2014-08-27.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  38. ^ Ishizuka, S .; Ямада, Акимаса; Шибата, Хадзиме; Фонс, Пол; Сакураи, Кейитиро; Мацубара, Кодзи; Ники, Сигеру (2009). «Рост тонких пленок CIGS с крупными зернами с использованием источника пучка радикалов Se». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 93 (6–7): 792. Дои:10.1016 / j.solmat.2008.09.043.
  39. ^ Кавамура, М .; Фудзита, Тошиюки; Ямада, Акира; Конагай, Макото (2009). «Тонкопленочные солнечные элементы CIGS, выращенные на растрескавшемся селене». Журнал роста кристаллов. 311 (3): 753. Bibcode:2009JCrGr.311..753K. Дои:10.1016 / j.jcrysgro.2008.09.091.
  40. ^ Solarion AG (07.10.2009): Мировой рекорд: эффективность преобразования 13,4% в солнечных элементах на пластиковой пленке В архиве 2012-03-05 в Wayback Machine. (пресс-релиз)
  41. ^ Мухаммад, Науман Малик; Сундхарам, Шридхаран; Данг, Хен Ву; Ли, Аён; Рю, Бейонг-Хван; Чхве, Кён-Хён (2011). «Нанесение слоя CIS с помощью процесса электрораспыления для производства солнечных элементов». Современная прикладная физика. 11 (1): S68. Bibcode:2011CAP .... 11S..68M. Дои:10.1016 / j.cap.2010.11.059.
  42. ^ Чхве, Кён-Хён; Мухаммад, Науман Малик; Данг, Хен Ву; Ли, Аён; Хван, Джин Су; Нам, Чон Вон; Рю, Беён-Хван (2011). «Электрораспыление тонких пленок диселенида меди-индия». Международный журнал исследований материалов. 102 (10): 1252. Дои:10.3139/146.110581.
  43. ^ Верманг, Барт; Ватьен, Йорн Тимо; Фьеллстрем, Виктор; Роствалл, Фредрик; Едофф, Марика; Котипалли, Ратан; Генри, Фредерик; Фландр, Дени (2014). «Использование технологии кремниевых солнечных элементов для повышения эффективности ультратонких солнечных элементов из Cu (In, Ga) Se2». Прогресс в фотоэлектрической технике: исследования и приложения. 22 (10): 1023–1029. Дои:10.1002 / пункт.2527. ЧВК  4540152. PMID  26300619.
  44. ^ Bose, S .; Cunha, J.M.V .; Borme, J .; Chen, W.C .; Nilsson, N.S .; Teixeira, J.P .; Gaspar, J .; Leitão, J.P .; Едофф, М .; Fernandes, P.A .; Саломе, P.M.P. (2019). «Морфологическое и электронное исследование ультратонких пассивированных сзади солнечных элементов Cu (In, Ga) Se2». Тонкие твердые пленки. 671: 77–84. Bibcode:2019TSF ... 671 ... 77B. Дои:10.1016 / j.tsf.2018.12.028.
  45. ^ Bose, Sourav; Cunha, José M. V .; Суреш, Сунил; Де Вильд, Джессика; Lopes, Tomás S .; Barbosa, João R. S .; Сильва, Рикардо; Борме, Жером; Fernandes, Paulo A .; Верманг, Барт; Саломе, Педро М. П. (2018). "Оптическая литография структур слоев SiO2 для пассивации границ раздела тонкопленочных солнечных элементов". RRL Solar. 2 (12): 1800212. Дои:10.1002 / solr.201800212.

внешняя ссылка