✖


Jump to content

Солнечный элемент из селенида меди, индия, галлия

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

Солнечный элемент из селенида меди, индия, галлия (или элемент CIGS , иногда элемент CI(G)S или CIS) представляет собой тонкопленочный солнечный элемент, используемый для преобразования солнечного света в электроэнергию. Он изготавливается путем нанесения тонкого слоя твердого раствора селенида меди, индия, галлия на стеклянную или пластиковую подложку, а также электродов на передней и задней части для сбора тока. Поскольку материал имеет высокий коэффициент поглощения и сильно поглощает солнечный свет, требуется гораздо более тонкая пленка, чем у других полупроводниковых материалов.

CIGS — это одна из трех основных тонкопленочных фотоэлектрических (PV) технологий, две другие — 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, наилучшие характеристики обычно достигаются у ячеек, нанесенных на стекло, даже несмотря на то, что достижения в области низкотемпературного осаждения ячеек CIGS стерли большую часть этой разницы в производительности. CIGS превосходит поликремний на уровне ячеек, однако эффективность его модуля все еще ниже из-за менее зрелого апскейлинга. [1]

Доля рынка тонкопленочных фотоэлектрических систем остается на уровне около 15 процентов, в результате чего остальная часть фотоэлектрического рынка остается за обычными солнечными элементами, изготовленными из кристаллического кремния . В 2013 году доля рынка только CIGS составляла около 2 процентов, а доля всех тонкопленочных технологий вместе взятых упала ниже 10 процентов. [2] Ячейки CIGS продолжают разрабатываться, поскольку они обещают достичь эффективности кремния, сохраняя при этом низкую стоимость, что типично для тонкопленочных технологий. [3] Выдающимися производителями фотоэлектрических элементов CIGS были ныне обанкротившиеся компании Nanosolar и Solyndra . В настоящее время лидером рынка является японская компания Solar Frontier , а Global Solar и GSHK Solar также производят солнечные модули, не содержащие тяжелых металлов, таких как кадмий и/или свинец. [4] Многие компании-производители солнечных панелей CIGS обанкротились. [5]

Характеристики

[ редактировать ]

CIGS представляет собой I - III - VI 2, полупроводниковый материал состоящий из меди , индия , галлия и селена . Материал представляет собой твердый раствор селенида меди-индия (часто сокращенно «СНГ») и селенида меди-галлия с химической формулой CuIn x Ga (1-x) Se 2 , где значение x может изменяться от 1 (чистый селенид меди-индия) до 0 (чистый селенид меди-галлия). Это полупроводник с тетраэдрическими связями и кристаллической структурой халькопирита . Ширина запрещенной зоны непрерывно меняется в зависимости от x 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, а некоторые элементы CIGS не содержат кадмия . вообще [7]

CIGS имеет исключительно высокий коэффициент поглощения более 10. 5 /см для фотонов с энергией 1,5 эВ и выше. [8] Солнечные элементы CIGS с эффективностью около 20% были заявлены Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (Empa) и немецким für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW). Zentrum за исследования солнечной энергии и водорода ), что на сегодняшний день является рекордом для любого тонкопленочного солнечного элемента . [9] [10] В 2024 году был заявлен рекорд эффективности CIGS - 23,64%. [11]

Все высокоэффективные поглотители CIGS в солнечных элементах имеют сходство, независимо от технологии производства. Во-первых, они представляют собой поликристаллическую α-фазу, имеющую кристаллическую структуру халькопирита, показанную на рисунке 3. Второе свойство — общий меди . дефицит [12] Дефицит Cu увеличивает концентрацию основных носителей (дырок) за счет увеличения количества (электроноакцепторных) вакансий Cu. Когда пленки CIGS богаты In (дефицит Cu), поверхностный слой пленки образует упорядоченное дефектное соединение (ODC) со стехиометрией Cu (In, Ga).
3 Се
5 . ODC имеет n-тип и образует pn-гомопереход в пленке на границе раздела α-фазы и ODC. Скорость рекомбинации на границе раздела CIGS/CdS снижается из-за присутствия гомоперехода. Снижение межфазной рекомбинации, связанное с образованием ODC, демонстрируется экспериментами, которые показали, что рекомбинация в объеме пленки является основным механизмом потерь в пленках с дефицитом Cu, тогда как в пленках с богатым содержанием Cu основные потери происходят на границе раздела CIGS/CdS. [12] [13]

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

Включение натрия необходимо для оптимальной производительности. Идеальной концентрацией Na считается примерно 0,1%. Na обычно поставляется с подложкой из натриево-известкового стекла , но в процессах, в которых эта подложка не используется, Na необходимо добавлять намеренно. Положительные эффекты Na включают увеличение проводимости p-типа , текстуры и среднего размера зерен. Кроме того, включение Na позволяет сохранять рабочие характеристики даже при больших стехиометрических отклонениях. [8] Моделирование предсказало, что Na на сайте In создает неглубокий уровень акцептора и что Na служит для удаления дефектов In на Cu (доноров), но причины этих преимуществ противоречивы. Считается, что Na также катализирует поглощение кислорода . Кислород пассивирует вакансии Se, которые действуют как компенсирующие доноры и центры рекомбинации.

Легирование CIS (CuInSe 2 ) CGS (CuGaSe 2 ) увеличивает запрещенную зону. Для достижения идеальной запрещенной зоны для однопереходного солнечного элемента (1,5 эВ) оптимальным является соотношение Ga/(In+Ga), равное примерно 0,7. Однако при коэффициентах выше ~0,3 производительность устройства падает. В настоящее время промышленность ориентируется на соотношение 0,3 Ga/(In+Ga), что приводит к величине запрещенной зоны от 1,1 до 1,2 эВ. Предполагается, что снижение производительности является результатом того, что CGS не формирует ODC, который необходим для хорошего интерфейса с CdS. [12]

Устройства с наивысшей эффективностью демонстрируют существенное текстурирование или предпочтительную кристаллографическую ориентацию. Ориентация поверхности (204) наблюдается в устройствах самого высокого качества. [8] Гладкая поверхность поглотителя является предпочтительной, чтобы максимизировать соотношение освещенной площади к площади границы раздела. Площадь интерфейса увеличивается с увеличением шероховатости, в то время как освещенная площадь остается постоянной, что снижает напряжение холостого хода (V OC ). Исследования также связали увеличение плотности дефектов с уменьшением количества летучих органических соединений . Было высказано предположение, что в рекомбинации в CIGS преобладают безызлучательные процессы. Теоретически рекомбинацией можно управлять путем создания пленки, и она не свойственна материалу. [14]

Структура

[ редактировать ]

Наиболее распространенная структура устройства для солнечных элементов CIGS показана на схеме (см. Рисунок 1: Структура устройства CIGS) . натриево-известковое стекло толщиной около 1–3 миллиметров В качестве подложки обычно используется , поскольку листы стекла содержат натрий, который, как было показано, приводит к существенному увеличению напряжения холостого хода. [15] в частности, за счет пассивации поверхностных и зернограничных дефектов. [16] Однако многие компании также рассматривают более легкие и гибкие подложки, такие как полиимид или металлическая фольга. [17] напыления ) Наносится металлический слой молибдена (Mo) (обычно путем , который служит задним контактом и отражает большую часть непоглощенного света обратно в поглотитель CIGS. После осаждения молибдена слой поглотителя CIGS p-типа выращивается одним из нескольких уникальных методов. тонкий буферный слой n-типа Поверх поглотителя добавляется . Буфер обычно представляет собой сульфид кадмия (CdS), нанесенный методом химического осаждения в ванне . Буфер покрыт тонким собственным слоем оксида цинка (i-ZnO), который покрыт более толстым алюминием слоем ZnO, легированным (Al). Слой i-ZnO используется для защиты CdS и поглотительного слоя от повреждений, вызванных распылением, при нанесении оконного слоя ZnO:Al, поскольку последний обычно наносится методом распыления на постоянном токе, известном как процесс повреждения. [18] ZnO, легированный Al, служит прозрачным проводящим оксидом, который собирает и выводит электроны из ячейки, поглощая при этом как можно меньше света.

Материалы на основе CuInSe 2 , представляющие интерес для фотоэлектрических применений, включают несколько элементов из групп I, III и VI периодической таблицы . Эти полупроводники особенно привлекательны для применения в солнечной энергетике из-за их высоких коэффициентов оптического поглощения и универсальных оптических и электрических характеристик, которыми в принципе можно манипулировать и настраивать для конкретных нужд данного устройства. [19]

Эффективность преобразования

[ редактировать ]
Эффективность солнечных батарей различных технологий, отслеживаемая NREL , при этом прогресс CIGS отмечен зеленым цветом

CIGS в основном используется в виде поликристаллических тонких пленок . Наилучшая эффективность, достигнутая по состоянию на сентябрь 2014 года, составила 21,7%. [20] Команда Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии достигла 19,9%, что на тот момент было рекордом. [21] изменив поверхность CIGS и сделав ее похожей на CIS. [22] Эти образцы были нанесены на стекло, а это означало, что изделия не были механически гибкими. В 2013 году ученые Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий разработали элементы CIGS на гибкой полимерной фольге с новым рекордным КПД 20,4%. [23] Они демонстрируют как высочайшую эффективность, так и максимальную гибкость.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США подтвердила эффективность модуля производственной панели большой площади (квадратный метр) на уровне 13,8%, а эффективность некоторых производственных модулей - 13% общей площади (и 14,2% площади апертуры). [22] В сентябре 2012 года немецкая компания Manz AG представила солнечный модуль CIGS с эффективностью 14,6% по общей поверхности модуля и 15,9% по апертуре, который был произведен на серийном производстве. [24] MiaSolé получила сертифицированную эффективность площади апертуры 15,7% на расстоянии 1 м. 2 производственный модуль, [25] и Solar Frontier заявили о КПД 17,8% на длине волны 900 см. 2 модуль. [26]

Более высокий КПД (около 30%) можно получить, используя оптику для концентрации падающего света. Использование галлия увеличивает оптическую запрещенную зону слоя CIGS по сравнению с чистым CIS, тем самым увеличивая напряжение холостого хода. [22] [27] Относительное изобилие галлия по сравнению с индием снижает затраты.

Лабораторный учет эффективности CIGS в зависимости от субстрата  (а)
Субстрат Стекло Сталь Алюминий Полимер
Эффективность 23.6% 17.7% 16.2% 20.4%
институт Уппсальский университет/Эволар (б) Но Но Но
Источник: Swissolar, Flisom – презентация, ноябрь 2014 г. [28]
Примечание: (а) лабораторная ячейка ~0,5 см 2 ,  (б)  [29]

Сравнение

[ редактировать ]

Обычный кристаллический кремний

[ редактировать ]

В отличие от обычных ячеек кристаллического кремния на основе гомоперехода , структура ячеек CIGS представляет собой более сложную систему гетеропереходов . CIGS, материал с прямой запрещенной зоной , очень сильно поглощает свет, и слоя толщиной всего 1–2 микрометра (мкм) достаточно, чтобы поглотить большую часть солнечного света. Для сравнения, для кристаллического кремния требуется гораздо большая толщина — около 160–190 мкм. [ нужна ссылка ]

Активный слой CIGS может быть нанесен в поликристаллической форме непосредственно на молибден (Мо), нанесенный на различные подложки, такие как стеклянные листы, стальные ленты и пластиковая фольга из полиимида. При этом используется меньше энергии, чем при плавке большого количества кварцевого песка в электрических печах и выращивании крупных кристаллов, необходимых для обычных кремниевых элементов, и, таким образом, значительно сокращается время окупаемости энергии . Кроме того, в отличие от кристаллического кремния, эти подложки могут быть гибкими . [30]

В высококонкурентной фотоэлектрической отрасли давление на производителей CIGS возросло , что привело к банкротству нескольких компаний, поскольку в последние годы цены на обычные кремниевые элементы быстро снизились. Однако солнечные элементы CIGS стали столь же эффективны , как элементы из поликристаллического кремния — наиболее распространенный тип солнечных элементов. CIGS и CdTe-PV остаются единственными двумя коммерчески успешными тонкопленочными технологиями на быстрорастущем мировом рынке фотоэлектрических систем . [ нужна ссылка ]

Другие тонкие пленки

[ редактировать ]

В фотогальванике «тонкость» обычно относится к так называемым высокоэффективным кремниевым элементам «первого поколения», которые производятся из объемных пластин толщиной в сотни микрометров. [31] Тонкие пленки жертвуют некоторой эффективностью сбора света, но используют меньше материала. [32] В CIGS компромисс между эффективностью менее серьезен, чем в кремнии. Рекордная эффективность тонкопленочных ячеек CIGS немного ниже, чем у CIGS для ячеек с максимальной производительностью в лабораторных условиях. В 2008 году эффективность CIGS была самой высокой по сравнению с эффективностью, достигнутой другими технологиями тонких пленок, такими как фотогальваника из теллурида кадмия (CdTe) или аморфный кремний (a-Si). [21] Солнечные элементы CIS и CGS обеспечивают общую эффективность площади 15,0% и 9,5%, [33] соответственно. В 2015 году разрыв с другими тонкопленочными технологиями был ликвидирован: рекордная эффективность ячеек в лабораториях составила 21,5% для CdTe (FirstSolar) и 21,7% для CIGS (ZSW). (См. также диаграмму эффективности лучших исследовательских ячеек NREL . [34] )

Производство

[ редактировать ]

Кинопроизводство

[ редактировать ]

Наиболее распространенный процесс, основанный на вакууме, заключается в совместном испарении или совместном распылении меди, галлия и индия на подложку при комнатной температуре, а затем отжиге полученной пленки с парами селенида. Альтернативный процесс — совместное испарение меди, галлия, индия и селена на нагретую подложку. [ нужна ссылка ]

Альтернативный процесс, не основанный на вакууме, наносит наночастицы материалов- прекурсоров на подложку , а затем спекает их на месте . Гальваника — еще одна недорогая альтернатива нанесению слоя CIGS. [ нужна ссылка ]

В следующих разделах описаны различные методы обработки осаждения прекурсоров, включая напыление металлических слоев при низких температурах, печать чернилами, содержащими наночастицы , электроосаждение и метод, основанный на соединении пластин. [ нужна ссылка ]

Селенизация

[ редактировать ]

Среда подачи Se и селенизации важна для определения свойств и качества пленки. Когда Se подается в газовой фазе (например, в виде H 2 Se или элементарного Se) при высоких температурах, Se включается в пленку путем абсорбции и последующей диффузии. На этом этапе, называемом халькогенизацией, происходят сложные взаимодействия с образованием халькогенида . Эти взаимодействия включают образование интерметаллических сплавов Cu-In-Ga, образование промежуточных бинарных соединений селенида металла и фазовое разделение различных стехиометрических соединений CIGS. Из-за разнообразия и сложности реакций свойства пленки CIGS трудно контролировать. [8]

Источник Se влияет на конечные свойства пленки. H 2 Se обеспечивает самое быстрое включение Se в поглотитель; Содержание Se 50 ат% может быть достигнуто в пленках CIGS при температуре до 400 ° C. Для сравнения, элементарный Se достигает полного включения только при температуре реакции выше 500 ° C. Пленки, сформированные при более низких температурах из элементарного Se, имели дефицит Se, но имели несколько фаз, включая селениды металлов и различные сплавы . Использование H 2 Se обеспечивает лучшую однородность состава и наибольшие размеры зерен. Однако H 2 Se высокотоксичен и классифицируется как опасный для окружающей среды . [ нужна ссылка ]

Напыление металлических слоев с последующей селенизацией

[ редактировать ]

В этом методе металлическая пленка Cu, In и Ga распыляется при комнатной температуре или около нее и подвергается реакции в атмосфере Se при высокой температуре. Этот процесс имеет более высокую производительность, чем совместное испарение, и однородность состава достигается легче. [ нужна ссылка ]

Напыление сложенного многослойного металла – 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 характеристики приводят к созданию устройств с более высокой эффективностью, но формирование многослойного слоя является более сложным процессом осаждения и не требует дополнительного оборудования или усложнения процесса. [12] Кроме того, скорости реакции слоев Cu/Ga и Cu/In с Se различны. Если температура реакции недостаточно высока или выдерживается недостаточно долго, CIS и CGS образуются как отдельные фазы.

Компании, которые в настоящее время используют подобные процессы, включают Showa Shell, Avancis , Miasolé , Honda Soltec и Energy Photovoltaics (EPV). [35] Компания Showa Shell напылила слой сплава Cu-Ga и слой In с последующей селенизацией в H 2 Se и сульфуризацией в H 2 S. Этап сульфуризации, по-видимому, пассивирует поверхность аналогично CdS в большинстве других ячеек. 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 значении 11,3% для длины 3600 см. 2 субстраты. [17] Shell Solar использует ту же технологию, что и Showa Shell, для создания поглотителя; однако их слой CdS получен в результате химического осаждения из паровой фазы. Модули, продаваемые Shell Solar, заявляют о КПД модуля 9,4%. [ нужна ссылка ]

Miasole привлекла венчурные фонды для своего процесса и расширения. Рекордный модуль эффективности апертуры 17,4% был подтвержден Фраунгофером в 2019 году. [36]

В EPV используется гибрид совместного испарения и распыления, при котором In и Ga испаряются в атмосфере Se. За этим следует распыление и селенизация меди. Наконец, In и Ga снова испаряются в присутствии Se. По измерениям Холла эти пленки имеют низкую концентрацию носителей заряда и относительно высокую подвижность. Пленки EPV имеют низкую концентрацию дефектов. [ нужна ссылка ]

Халькогенизация слоев предшественников частиц

[ редактировать ]

В этом методе в качестве предшественников 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, например, печатью. Затем пленку обезвоживают и, если предшественниками являются оксиды металлов, восстанавливают в атмосфере H 2 /N 2 . После обезвоживания оставшаяся пористая пленка спекается и селенизуется при температуре выше 400 °C. [12] [14] [37]

Компании Nanosolar и International Solar Electric Technology (ISET) безуспешно пытались масштабировать этот процесс. [17] ISET использует оксидные частицы, а компания Nanosolar не обсуждала свои чернила. К преимуществам этого процесса относятся однородность на больших площадях, безвакуумное или низковакуумное оборудование и адаптируемость к рулонному производству. По сравнению с ламинарными металлическими слоями-предшественниками спеченные наночастицы селенизируются быстрее. Повышенная скорость является результатом большей площади поверхности, связанной с пористостью . Пористость приводит к более шероховатой поверхности поглотителя. Использование предшественников в виде частиц позволяет печатать на самых разных носителях с коэффициентом использования материалов 90% и более. Мало исследований и разработок поддержали эту технику. [ нужна ссылка ]

Компания Nanosolar сообщила, что эффективность ячейки (не модуля) составляет 14%, однако это не было подтверждено никакими национальными лабораторными испытаниями и не позволило проводить проверки на месте. В независимом тестировании [14] Абсорбер ISET имел второй самый низкий КПД - 8,6%. Однако все модули, которые превзошли модуль ISET, были подвергнуты совместному испарению, и этот процесс имеет производственные недостатки и более высокую стоимость. Образец ISET больше всего пострадал от низкого содержания VOC и низкого коэффициента заполнения , что указывает на шероховатую поверхность и/или большое количество дефектов, способствующих рекомбинации. В связи с этими проблемами пленка имела плохие транспортные свойства, включая низкую мобильность в Холле и короткий срок службы носителя. [ нужна ссылка ]

Электроосаждение с последующей селенизацией

[ редактировать ]

Прекурсоры могут быть нанесены электроосаждением. Существуют две методологии: осаждение элементарных слоистых структур и одновременное осаждение всех элементов (включая Se). Оба метода требуют термической обработки в атмосфере Se для получения пленок приборного качества. Поскольку для электроосаждения требуются проводящие электроды , металлическая фольга является логичной подложкой. Электроосаждение элементарных слоев аналогично распылению элементарных слоев. [ нужна ссылка ]

При одновременном осаждении используются рабочий электрод ( катод ), противоэлектрод ( анод ) и электрод сравнения, как показано на рисунке 4. Подложка из металлической фольги используется в качестве рабочего электрода в промышленных процессах. Инертный материал служит противоэлектродом, а электрод сравнения измеряет и контролирует потенциал. Электрод сравнения позволяет осуществлять процесс потенциостатически, позволяя контролировать потенциал подложки. [12]

Рисунок 4. Аппарат для электроосаждения CIGS.

Одновременное электроосаждение должно преодолеть тот факт, что стандартные восстановительные потенциалы элементов не равны, что приводит к преимущественному осаждению одного элемента. Эту проблему обычно решают путем добавления в раствор противодействующих ионов для каждого осаждаемого иона (Cu 2+ , Се 4+ , В 3+ и Га 3+ ), тем самым изменяя восстановительный потенциал этого иона. Кроме того, система Cu-Se имеет сложное поведение, а состав пленки зависит от содержания Se. 4+ /С 2+ соотношение потоков ионов, которое может меняться по поверхности пленки. Это требует оптимизации концентраций прекурсоров и потенциала осаждения. Даже при оптимизации воспроизводимость на больших площадях низкая из-за изменений состава и потенциальных падений вдоль подложки. [ нужна ссылка ]

Полученные пленки имеют мелкие зерна, богаты медью и обычно содержат фазы Cu 2-x Se x вместе с примесями из раствора. Отжиг необходим для улучшения кристалличности. Для эффективности выше 7% требуется поправка на стехиометрию. Первоначально коррекция проводилась посредством физического осаждения из паровой фазы при высокой температуре, что непрактично в промышленности. [ нужна ссылка ]

Solopower в настоящее время производит элементы с эффективностью преобразования> 13,7% согласно NREL. [38]

Комбинация предшественников с помощью техники, вдохновленной соединением пластин

[ редактировать ]
Рисунок 5: Схема техники, основанной на соединении пластин.

В этом процессе две разные пленки-предшественника наносятся отдельно на подложку и суперстрат. Пленки сжимаются вместе и нагреваются, чтобы освободить пленку от многоразового суперстрата, оставляя на подложке поглотитель CIGS (рис. 5). Гелиовольт запатентовал эту процедуру и назвал ее процессом FASST. В принципе, предшественники можно наносить 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 достигают полного потенциала сокращения затрат. В конечном итоге в этом процессе можно будет использовать гибкие подложки. [ нужна ссылка ]

Типичные характеристики пленки неизвестны за пределами компании, поскольку независимые лаборатории не проводили никаких исследований. Однако Heliovolt заявила, что максимальный КПД элемента составляет 12,2%. [ нужна ссылка ]

совместное испарение

[ редактировать ]

Совместное испарение, или соосаждение, является наиболее распространенным методом изготовления CIGS. Процесс совместного испарения компании Boeing наносит бислои CIGS с различной стехиометрией на нагретую подложку и позволяет им смешиваться. [ нужна ссылка ]

NREL разработала еще один процесс, включающий три этапа осаждения, и установила текущий рекорд эффективности CIGS - 20,3%. Первым шагом в методе NREL является совместное осаждение In, Ga и Se. Затем медь и селен осаждаются при более высокой температуре, чтобы обеспечить диффузию и перемешивание элементов. На заключительном этапе In, Ga и Se снова осаждаются, что делает общий состав Cu дефицитным. [12]

Wurth Solar начала производить элементы CIGS с использованием поточной системы совместного испарения в 2005 году с эффективностью модуля от 11% до 12%. Они открыли еще одно производство и продолжили повышать эффективность и урожайность. Другие компании, расширяющие масштабы процессов совместного испарения, включают Global Solar и Ascent Solar . [35] Global Solar использовала поточный трехэтапный процесс осаждения. На всех стадиях Se в избытке подается в паровой фазе. Сначала испаряются In и Ga, затем Cu, а затем In и Ga, что приводит к дефициту меди в пленке. Эти пленки показали себя весьма благоприятно по отношению к другим производителям и поглотителям, выращенным в NREL и Институте преобразования энергии (IEC). [14] Однако модули пленок Global Solar показали себя не так хорошо. Свойством, в котором модуль наиболее явно отстает, было низкое значение VOC , что характерно для высокой плотности дефектов и высоких скоростей рекомбинации. Поглотительный слой Global Solar превзошел поглотитель NREL по сроку службы носителя и мобильности зала. Однако в качестве завершенных клеток образец NREL показал лучшие результаты. Это свидетельствует о плохом интерфейсе CIGS/CdS, возможно, из-за отсутствия поверхностного слоя ODC на пленке Global Solar. [ нужна ссылка ]

К недостаткам относятся проблемы с однородностью на больших площадях и связанная с этим сложность совместного испарения элементов в поточной системе. Кроме того, высокие температуры роста увеличивают тепловой бюджет и затраты. Кроме того, совместному испарению препятствует низкий уровень использования материала (осаждение на стенках камеры вместо подложки, особенно для селена) и дорогое вакуумное оборудование. [17] [37] Способ повышения эффективности использования Se — это процесс термического или плазменного крекинга селена. [39] [40] который может быть соединен с источником ионного луча для осаждения с помощью ионного луча . [41]

Химическое осаждение из паровой фазы

[ редактировать ]

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) применялось несколькими способами для осаждения CIGS. Процессы включают CVD металлов и органических веществ при атмосферном давлении (AP- MOCVD ), CVD с плазменным усилением ( PECVD ), MOCVD низкого давления (LP-MOCVD) и MOCVD с использованием аэрозоля (AA-MOCVD). Исследования пытаются перейти от прекурсоров с двойным источником к прекурсорам с одним источником. [12] Прекурсоры из нескольких источников должны быть гомогенно смешаны, а скорости потока прекурсоров должны поддерживаться на должном уровне стехиометрии. Методы прекурсора с одним источником не страдают этими недостатками и должны позволять лучше контролировать состав пленки.

По состоянию на 2014 год CVD не использовался для коммерческого синтеза CIGS. Пленки, полученные CVD, имеют низкую эффективность и низкое содержание VOC , что отчасти является результатом высокой концентрации дефектов. Кроме того, поверхность пленки, как правило, довольно шероховатая, что способствует дальнейшему снижению содержания летучих органических соединений . Однако необходимый дефицит меди был достигнут с использованием AA-MOCVD вместе с ориентацией кристаллов (112).

Температуры осаждения CVD ниже, чем те, которые используются для других процессов, таких как совместное испарение и селенизация металлических предшественников. Следовательно, CVD имеет меньший тепловой баланс и более низкие затраты. Потенциальные производственные проблемы включают трудности с переводом CVD на поточный процесс, а также затраты на обращение с летучими прекурсорами.

Электрораспылительное осаждение

[ редактировать ]

Пленки CIS могут быть получены методом электрораспыления . Этот метод включает распыление чернил, содержащих наночастицы CIS, с помощью электрического поля непосредственно на подложку с последующим спеканием в инертной среде. [42] Основным преимуществом этого метода является то, что процесс происходит при комнатной температуре, и его можно объединить с какой-либо системой непрерывного или массового производства, например, с механизмом производства рулонов. [43]

Пассивация задней поверхности

[ редактировать ]

Концепция пассивации задней поверхности солнечных элементов CIGS показывает потенциал повышения эффективности. Концепция задней пассивации была взята из технологии пассивации кремниевых солнечных элементов. [44] В качестве пассивирующих материалов использовались Al2O3 и SiO2. Наноразмерные точечные контакты на слое Al2O3 [45] и линейные контакты на слое SiO2 [46] обеспечить электрическое соединение абсорбера CIGS с задним молибденовым электродом. Точечные контакты на слое Al2O3 создаются методом электронно-лучевой литографии, а линейные контакты на слое SiO2 — с помощью фотолитографии. Также видно, что внедрение слоев пассивации не меняет морфологию слоев CIGS.

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Грин, Мартин А.; Хишикава, Ёсихиро; Варта, Вильгельм; Данлоп, Юэн Д.; Леви, Дин Х.; Холь-Эбингер, Йохен; Хо-Бэйли, Анита WH (июль 2017 г.). «Таблицы эффективности солнечных батарей (версия 50)». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 25 (7): 668–676. дои : 10.1002/pip.2909 .
  2. ^ «Отчет о фотогальванике, Fraunhofer ISE, 28 июля 2014 г., страницы 18, 19» (PDF) .
  3. ^ Андорка, Франк (8 января 2014 г.). «Солнечные элементы CIGS, упрощенные» . www.solarpowerworldonline.com/ . Мир солнечной энергетики. Архивировано из оригинала 19 августа 2014 года . Проверено 16 августа 2014 г.
  4. ^ «СНГ – Экология» . Солнечная граница . Проверено 8 июля 2015 г.
  5. ^ «TSMC закрывает производство тонкопленочных солнечных батарей CIGS» . www.greentechmedia.com .
  6. ^ Тиноко, Т.; Ринкон, К.; Кинтеро, М.; Перес, Г. Санчес (1991). «Фазовая диаграмма и оптическая энергетическая щель для сплавов CuInyGa1-ySe2». Физический статус Солиди А. 124 (2): 427. Бибкод : 1991PSSAR.124..427T . дои : 10.1002/pssa.2211240206 .
  7. ^ Solar-Frontier.com Преимущества в СНГ , заархивировано 3 ноября 2014 г. на Wayback Machine.
  8. ^ Jump up to: а б с д Стэнбери, Би Джей (2002). «Селениды меди, индия и родственные материалы для фотоэлектрических устройств». Критические обзоры по твердому телу и материаловедению . 27 (2): 73. Бибкод : 2002CRSSM..27...73S . дои : 10.1080/20014091104215 . S2CID   55612537 .
  9. ^ Репинс И.; Контрерас, Мигель А.; Эгаас, Брайан; Дехарт, Клей; Шарф, Джон; Перкинс, Крейг Л.; Бобби; Нуфи, Роммель (2008). «Солнечный элемент ZnO/CdS/CuInGaSe2 с эффективностью 19,9% и коэффициентом заполнения 81,2%» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 16 (3): 235. дои : 10.1002/pip.822 . S2CID   97047370 .
  10. ^ ZSW: Пресс-релизы . Zsw-bw.de. Проверено 13 сентября 2011 г.
  11. ^ «Новый мировой рекорд для солнечных элементов CIGS» . ScienceDaily . Проверено 29 февраля 2024 г.
  12. ^ Jump up to: а б с д и ж г час Кемелл, Марианна; Ритала, Микко; Лескеля, Маркку (2005). «Методы осаждения тонких пленок солнечных элементов CuInSe2». Критические обзоры по наукам о твердом теле и материалах . 30 (1): 1. Бибкод : 2005CRSSM..30....1K . дои : 10.1080/10408430590918341 . S2CID   55705282 .
  13. ^ Ихлал, А; Буабид, К; Субан, Д; Ня, М; Айтталебали, О; Амира, Ю; Аутзурит, А; Нуэ, Г (2007). «Сравнительное исследование напыленных и электроосажденных тонких пленок CI (S, Se) и CIGSe». Тонкие твердые пленки . 515 (15): 5852. Бибкод : 2007TSF...515.5852I . дои : 10.1016/j.tsf.2006.12.136 .
  14. ^ Jump up to: а б с д Репинс, Иллинойс; Стэнбери, Би Джей; Янг, Д.Л.; Ли, СС; Мецгер, ВК; Перкинс, CL; Шафарман, Западная Нью; Бек, Мэн; Чен, Л.; Капур, В.К.; Таррант, Д.; Гонсалес, доктор медицины; Дженсен, генеральный директор; Андерсон, Ти Джей; Ван, X.; Керр, LL; Киз, Б.; Ашер, С.; Делахой, А.; фон Рёдерн, Б. (2006). «Сравнение характеристик устройства и измеренных транспортных параметров в самых разных солнечных элементах Cu (In, Ga) (Se, S)». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 14:25 . дои : 10.1002/pip.654 . S2CID   6395345 .
  15. ^ Хедстрем, Дж.; Ульсен, Х.; Бодегард, М.; Килнер, А.; Столт, Л.; Харискос, Д.; Рукх, М.; Шок, Х.-В. (1993). «ZnO/CDS/Cu(In,Ga)Se/Sub 2/Тонкопленочные солнечные элементы с улучшенными характеристиками». Протокол двадцать третьей конференции специалистов по фотоэлектрической энергии IEEE - 1993 г. (Кат. № 93CH3283-9) . стр. 364–371. дои : 10.1109/PVSC.1993.347154 . ISBN  978-0-7803-1220-3 .
  16. ^ Кроник Л.; Каэн Д.; Шок Х.В. (1998). «Влияние натрия на поликристаллический Cu(In,Ga)Se2 и характеристики его солнечных элементов». Продвинутые материалы . 10 (1): 31–36. Бибкод : 1998AdM....10...31K . doi : 10.1002/(SICI)1521-4095(199801)10:1<31::AID-ADMA31>3.0.CO;2-3 .
  17. ^ Jump up to: а б с д Дере, Нилкант Г. (2007). «К ГВт производства CIGS в год в течение следующего десятилетия». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 91 (15–16): 1376. Бибкод : 2007SEMSC..91.1376D . дои : 10.1016/j.solmat.2007.04.003 .
  18. ^ Курей Н.Ф., Кушия К., Фудзимаки А., Сугияма И., Миура Т., Окумура Д., Сато М., Ошита М., Ямасе О (1997). «Пленки ZnO большой площади, оптимизированные для тонкопленочных мини-модулей на основе Cu (InGa) Se2 с регулируемой запрещенной зоной». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 49 (1–4): 291–297. дои : 10.1016/S0927-0248(97)00055-X .
  19. ^ Эрон, Миннесота (1984). Тонкопленочный солнечный элемент CuInSe/sub 2//Cd(Zn)S с гетеропереходом: характеристика и моделирование (Диссертация). ОСТИ   6980750 . [ нужна страница ]
  20. ^ «ZSW: ZSW возвращает мировой рекорд в Штутгарт» . Архивировано из оригинала 24 апреля 2015 г. Проверено 3 июня 2015 г.
  21. ^ Jump up to: а б Репинс, Ингрид; Контрерас, Мигель; Ромеро, Мануэль; Ян, Янфа; Мецгер, Вятт; Ли, Цзянь; Джонстон, Стив; Эгаас, Брайан; Дехарт, Клей; Шарф, Джон; МакКэндлесс, Брайан Э.; Нуфи, Роммель (2008). «Характеристика поглотителей CIGS с эффективностью 19,9%». 2008 г. 33-я конференция специалистов по фотоэлектрической энергии IEEE . стр. 1–6. дои : 10.1109/PVSC.2008.4922628 . ISBN  978-1-4244-1640-0 .
  22. ^ Jump up to: а б с «Состояние и будущее фотоэлектрической отрасли» (PDF) . Дэвид Э. Карлсон, главный научный сотрудник BP Solar, 14 марта 2010 г. Проверено 10 февраля 2011 г.
  23. ^ «Empa выводит тонкопленочные солнечные элементы на новый уровень – новый мировой рекорд эффективности солнечных элементов» . Эмпа . 18 января 2013 года . Проверено 8 июля 2015 г.
  24. ^ 10 самых эффективных в мире модулей CI(G)S. Архивировано 24 января 2013 г. в Wayback Machine . Solarplaza.com. Проверено 18 февраля 2013 г.
  25. ^ Миасоле. «MiaSolé достигает эффективности 15,7% с помощью тонкопленочных солнечных модулей CIGS коммерческого масштаба» (PDF) . Проверено 30 ноября 2012 г.
  26. ^ Солнечная граница. «Solar Frontier устанавливает новый мировой рекорд эффективности» . Проверено 30 ноября 2012 г.
  27. ^ «Таблицы эффективности солнечных батарей, версия 33» (PDF) . Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST) . Проверено 10 февраля 2011 г.
  28. ^ «Flisom: Гибкая фотоэлектрическая система от лаборатории до производства» (PDF) . Флисом АГ . 4 ноября 2014 г. с. 4.
  29. ^ Келлер, Ян; Кисельман, Клара; Донзель-Гарганд, Оливье; Мартин, Наталья М.; Бабуччи, Мелике; Лундберг, Олле; Валлин, Эрик; Столт, Ларс; Эдофф, Марика (19 февраля 2024 г.). «Легирование серебром высокой концентрации и крутая градация галлия с обратным контактом позволяют использовать солнечные элементы на основе селенида меди, индия, галлия с эффективностью 23,6%» . Энергия природы . 9 (4): 467–478. Бибкод : 2024NatEn...9..467K . дои : 10.1038/s41560-024-01472-3 .
  30. ^ Кроу, Джеймс Митчелл (февраль 2008 г.). «Первые продажи «самых дешевых солнечных батарей в мире» » . Химический мир . Архивировано из оригинала 11 мая 2008 года.
  31. ^ США 20090223551  Патент
  32. ^ Нурул Амзия Мд Юнус; Ник Хасниза Ник Аман; Нима Хошсират (2015). «Сравнение тонкопленочных солнечных элементов и диселенида меди-индия-галлия в Юго-Восточной Азии». IET Возобновляемая энергетика . 9 (8): 1079–1086. Бибкод : 2015ИРПГ....9.1079М . дои : 10.1049/iet-rpg.2015.0114 . S2CID   112916710 .
  33. ^ Янг, Дэвид Л.; Кин, Джеймс; Дуда, Анна; АбуШама, Джихад А.М.; Перкинс, Крейг Л.; Ромеро, Мануэль; Нуфи, Роммель (декабрь 2003 г.). «Улучшение характеристик тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/CuGaSe 2» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 11 (8): 535–541. дои : 10.1002/pip.516 . S2CID   97494493 .
  34. ^ Диаграмма NREL по эффективности лучших исследовательских ячеек http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg [ мертвая ссылка ]
  35. ^ Jump up to: а б Улал, ХС; фон Рёдерн, Б. (2008). «Критические вопросы коммерциализации тонкопленочных фотоэлектрических технологий» . Твердотельная технология . 51 (2): 52–54.
  36. ^ Хатчинс, Марк (9 июля 2019 г.). «Miasolé устанавливает новый рекорд эффективности гибкой системы CIGS». журнал pv International . [ ненадежный источник? ]
  37. ^ Jump up to: а б Дербишир, К. (2008). «Государственная политика для инженеров: солнечная промышленность зависит от доброй воли политиков» . Твердотельная технология . 51:32 .
  38. ^ «Инжиниринг и дизайн | SoloPower®» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2014 г. Проверено 27 августа 2014 г.
  39. ^ Ишизука, С.; Ямада, Акимаса; Сибата, Хадзиме; Фонс, Пол; Сакураи, Кейитиро; Мацубара, Кодзи; Ники, Сигэру (2009). «Выращивание крупнозернистых тонких пленок CIGS с использованием источника пучка Se-радикалов». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 93 (6–7): 792. doi : 10.1016/j.solmat.2008.09.043 .
  40. ^ Кавамура, М.; Фудзита, Тосиюки; Ямада, Акира; Конагай, Макото (2009). «Тонкопленочные солнечные элементы CIGS, выращенные из треснувшего селена». Журнал роста кристаллов . 311 (3): 753. Бибкод : 2009JCrGr.311..753K . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2008.09.091 .
  41. ^ Solarion AG (07 октября 2009 г.): Мировой рекорд: эффективность преобразования 13,4% в солнечных элементах на пластиковой пленке. Архивировано 5 марта 2012 г. в Wayback Machine . (пресс-релиз)
  42. ^ Мухаммад, Науман Малик; Сундхарам, Шридхаран; Данг, Хён Ву; Ли, Аёнг; Рю, Бэён Хван; Чхве, Кён Хён (2011). «Нанесение слоя CIS методом электрораспыления для изготовления солнечных элементов». Современная прикладная физика . 11 (1): С68. Бибкод : 2011CAP....11S..68M . дои : 10.1016/j.cap.2010.11.059 .
  43. ^ Чхве, Кён Хён; Мухаммад, Науман Малик; Данг, Хён Ву; Ли, Аёнг; Хван, Джин Су; Нам, Чон Вон; Рю, Бэён Хван (2011). «Электрораспылительное осаждение тонких пленок диселенида меди-индия». Международный журнал исследования материалов . 102 (10): 1252. Бибкод : 2011IJMR..102.1252C . дои : 10.3139/146.110581 . S2CID   137436772 .
  44. ^ Верманг, Барт; Вятен, Йорн Тимо; Фьельстрем, Виктор; Ростваль, Фредрик; Эдофф, Марика; Котипалли, Ратан; Генри, Фредерик; Фландр, Дени (2014). «Использование технологии солнечных элементов Si для повышения эффективности ультратонких солнечных элементов Cu(In,Ga)Se2» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 22 (10): 1023–1029. дои : 10.1002/pip.2527 . ПМК   4540152 . ПМИД   26300619 .
  45. ^ Бозе, С.; Кунья, JMV; Борме, Дж.; Чен, туалет; Нильссон, Н.С.; Тейшейра, Япония; Гаспар, Дж.; Лейтао, Япония; Эдофф, М.; Фернандес, Пенсильвания; Саломе, PMP (2019). «Морфологическое и электронное исследование ультратонких задних пассивированных солнечных элементов Cu (In, Ga) Se2» . Тонкие твердые пленки . 671 : 77–84. Бибкод : 2019TSF...671...77B . дои : 10.1016/j.tsf.2018.12.028 . hdl : 10773/30445 . S2CID   139582764 .
  46. ^ Бозе, Сурав; Кунья, Хосе М.В.; Суреш, Сунил; Де Уайлд, Джессика; Лопес, Томас С.; Барбоза, Жуан РС; Сильва, Рикардо; Борм, Жером; Фернандес, Пауло А.; Верманг, Барт; Саломе, член парламента Педро (2018). «Создание оптической литографии слоев SiO2 для пассивации интерфейса тонкопленочных солнечных элементов» . РРЛ Солнечная . 2 (12): 1800212. doi : 10.1002/solr.201800212 . hdl : 10773/30564 . S2CID   139388117 .
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Copper_indium_gallium_selenide_solar_cell&oldid=1231289787"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7979380c24ccdfd125fabd767ecc5348__1719488760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/79/48/7979380c24ccdfd125fabd767ecc5348.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Copper indium gallium selenide solar cell - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)