Солнечные батареи селенида меди индия

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

Меди индия галлия селенида солнечных батарей (или CIGS клетки , иногда CI (G) , S или СНГ клетка) представляет собой тонкопленочный солнечный элемент , используемый для преобразования солнечного света в электрическую энергию. Его изготавливают путем нанесения тонкого слоя меди, индия, галлия и селена на стеклянную или пластиковую основу вместе с электродами 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 — одна из трех основных тонкопленочных фотоэлектрических (PV) технологий, две другие — это 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 все эти технологии обычно используют методы высокотемпературного осаждения, наилучшие характеристики обычно достигаются 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.

Доля рынка тонких пленок остается на уровне примерно 15 процентов, оставляя остальную часть рынка фотоэлектрических систем обычным солнечным элементам, изготовленным из кристаллического кремния . В 2013 году рыночная доля одной только CIGS составляла около 2 процентов, а доля всех тонкопленочных технологий, вместе взятых, упала ниже 10 процентов. Ячейки CIGS продолжают развиваться, поскольку они обещают достичь эффективности кремния, сохраняя при этом низкую стоимость, что типично для тонкопленочной технологии. Выдающимися производителями фотоэлектрических систем CIGS были обанкротившиеся компании Nanosolar и Solyndra . Лидер Текущий рынок японская компания Solar Frontier , с Global Solar и GSHK Solar также производит солнечные модули свободным от каких — либо тяжелых металлов , таких как кадмий и / или свинца. Многие компании-производители солнечных панелей CIGS обанкротились.

СОДЕРЖАНИЕ

Характеристики

CIGS представляет собой составной полупроводниковый материал I — III — VI _2, 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.
Икс Ga
(1-х) 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 . Зонная непрерывно изменяется с й от около 1,0 эВ (для селенида меди индии) до около 1,7 эВ (для селенида галлия меди).

CIGS имеет исключительно высокий коэффициент поглощения более 10 5 / см для фотонов с энергией 1,5 эВ и более. Солнечные элементы CIGS с эффективностью около 20% были заявлены Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL), Швейцарскими федеральными лабораториями материаловедения и технологий (Empa) и немецким Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) ( перевод: Центр для солнечной энергии и исследований водорода ), что на сегодняшний день является рекордом для всех тонкопленочных солнечных элементов .

Состав

Наиболее распространенная структура устройства для солнечных элементов CIGS показана на схеме (см. Рисунок 1: Структура устройства CIGS) . В качестве подложки обычно используется известково-натриевое стекло толщиной примерно 1–3 миллиметра , поскольку листы стекла содержат натрий, который, как было показано, приводит к значительному увеличению напряжения холостого хода, особенно за счет пассивации дефектов поверхности и границ зерен. Однако многие компании также ищут более легкие и гибкие подложки, такие как полиимид или металлическая фольга. Молибдена (Мо) слой металла осаждает (обычно путем распыления ) , который служит в качестве тыльного контакта и отражает наиболее неабсорбированный свет обратно в абсорбер CIGS. После осаждения молибдена слой поглотителя CIGS p-типа выращивают одним из нескольких уникальных методов. Поверх поглотителя нанесен тонкий буферный слой n-типа . Буфер обычно представляет собой сульфид кадмия (CdS), нанесенный путем осаждения в химической ванне . Буфер покрыт тонким внутренним слоем оксида цинка (i-ZnO), который покрыт более толстым слоем ZnO, легированным алюминием (Al). 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. ZnO, легированный алюминием, служит прозрачным проводящим оксидом, собирающим и перемещающим электроны из ячейки, поглощая при этом как можно меньше света.

Материалы на основе CuInSe ₂ , которые представляют интерес для фотоэлектрических приложений, включают несколько элементов из групп I, III и VI периодической таблицы . Эти полупроводники особенно привлекательны для солнечных батарей из-за их высоких коэффициентов оптического поглощения и универсальных оптических и электрических характеристик, которыми, в принципе, можно манипулировать и настраивать в соответствии с конкретными потребностями данного устройства.

Эффективность преобразования

CIGS в основном используется в виде тонких поликристаллических пленок . Максимальный КПД, достигнутый по состоянию на сентябрь 2014 года, составил 21,7%. Команда из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии достигла 19,9%, что на то время стало рекордом, за счет модификации поверхности CIGS и придания ей вида CIS. 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 новой рекордной эффективностью 20,4%. Они демонстрируют как высочайшую эффективность, так 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. В сентябре 2012 года немецкая компания 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. MiaSolé получила сертифицированную эффективность площади апертуры 15,7% на производственном модуле площадью 1 м 2 , а компания Solar Frontier заявила о КПД 17,8% на модуле площадью 900 см 2 .

Более высокая эффективность (около 30%) может быть получена при использовании оптики для концентрации падающего света. Использование галлия увеличивает оптическую ширину запрещенной зоны слоя CIGS по сравнению с чистым CIS, тем самым увеличивая напряжение холостого хода. Относительное содержание галлия по сравнению с индием снижает затраты.

Лабораторная запись эффективности CIGS по субстрату (а)

Субстрат	Стекло	Стали	Алюминий	Полимер
Эффективность	22,9%	17,7%	16,2%	20,4%
Институт	Солнечная граница (б)	Empa	Empa	Empa
Источник: Swissolar, Flisom — презентация, ноябрь 2014 г. Примечание: (а) лабораторная ячейка площадью 0,5 см 2 , (б) http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html

Сравнение

Обычный кристаллический кремний

В отличие от обычных ячеек из кристаллического кремния, основанных на гомопереходе , структура ячеек CIGS представляет собой более сложную систему гетероперехода . Прямой запрещенной зоны материала, CIGS имеет очень сильное поглощение света и слой только 1-2 микрометров (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 поликристаллической форме непосредственно на молибден (Mo), нанесенный на несколько различных подложек, таких как стеклянные листы, стальные ленты и пластиковая пленка из полиимида. Это требует меньше энергии, чем плавление большого количества кварцевого песка в электрических печах и выращивание крупных кристаллов, необходимых для обычных кремниевых элементов, и, таким образом, значительно сокращает время окупаемости энергии . Также в отличие от кристаллического кремния эти подложки могут быть гибкими .

В высококонкурентной фотоэлектрической отрасли давление на производителей CIGS увеличилось , что привело к банкротству нескольких компаний, поскольку в последние годы цены на обычные кремниевые элементы быстро снизились. Однако солнечные элементы CIGS стали такими же эффективными, как и мультикристаллические кремниевые элементы — наиболее распространенный тип солнечных элементов. CIGS и CdTe-PV остаются единственными коммерчески успешными тонкопленочными технологиями на быстрорастущем мировом рынке 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. Тонкие пленки приносят в жертву эффективность улавливания света, но используют меньше материала. 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 при использовании других тонкопленочных технологий, таких как фотовольтаика с теллуридом кадмия (CdTe) или аморфный кремний (a-Si). Солнечные элементы CIS и CGS имеют КПД по общей площади 15,0% и 9,5% 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). (См. Также диаграмму эффективности ячейки для лучших исследований NREL .)

Характеристики

Все высокоэффективные поглотители CIGS в солнечных элементах имеют сходство независимо от технологии производства. Во-первых, они представляют собой поликристаллическую α-фазу, которая имеет кристаллическую структуру халькопирита, показанную на рисунке 3. Вторым свойством является общий дефицит меди . Дефицит Cu увеличивает концентрацию основных носителей заряда (дырок) за счет увеличения количества (электронно-акцептирующих) вакансий Cu. Когда CIGS пленка В богатых (Cu) форме дефицитного слоя поверхности пленки упорядоченной дефект соединение (ODC) с стехиометрией из Cu (In, Ga)
3 Se
5 . ODC является n-типом, образуя гомопереход pn в пленке на границе между α-фазой и ODC. Скорость рекомбинации на границе CIGS / CdS уменьшается из-за наличия гомоперехода. Падение 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.

Включение натрия необходимо для оптимальной работы. Идеальной считается концентрация Na примерно 0,1%. Na обычно поставляется с подложкой из известково-натриевого стекла , но в процессах, в которых этот субстрат не используется, Na должен добавляться намеренно. Благоприятные эффекты Na включают увеличение проводимости p-типа , текстуры и среднего размера зерна. Кроме того, включение Na позволяет поддерживать рабочие характеристики при больших стехиометрических отклонениях. 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. Также считается, что Na катализирует абсорбцию кислорода . Кислород пассивирует вакансии Se, которые действуют как компенсирующие доноры и центры рекомбинации.

Легирование CIS (CuInSe ₂ ) с CGS (CuGaSe ₂ ) увеличивает ширину запрещенной зоны. 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. Было высказано предположение, что снижение производительности является результатом того, что CGS не формирует ODC, что необходимо для хорошего интерфейса с CdS.

Устройства с наивысшей эффективностью демонстрируют существенное текстурирование или предпочтительную кристаллографическую ориентацию. Ориентация поверхности (204) наблюдается в приборах лучшего качества. 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 область остается постоянной, уменьшая напряжение холостого хода (V _OC ). Исследования также связывают увеличение плотности дефектов со снижением V _OC . 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.

Производство

Производство фильма

Наиболее распространенный процесс на основе вакуума — совместное испарение или совместное распыление меди, галлия и индия на подложку при комнатной температуре, а затем отжиг полученной пленки с парами селенида. Альтернативный процесс — совместное испарение меди, галлия, индия и селена на нагретой подложке.

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

В следующих разделах описываются различные методы обработки осаждения прекурсоров, включая распыление металлических слоев при низких температурах, печать красок, содержащих наночастицы , электроосаждение и технику, основанную на соединении пластин.

Селенизация

Подача Se и среда селенизации важны 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 металл-селенид и фазовое разделение различных стехиометрических соединений CIGS. Из-за разнообразия и сложности реакций трудно контролировать свойства пленки CIGS.

Источник Se влияет на свойства получаемой пленки. H ₂ Se обеспечивает наиболее быстрое включение селена 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 селена, содержали дефицит селена, но имели несколько фаз, включая селениды металлов и различные сплавы . Использование H ₂ Se обеспечивает наилучшую однородность состава и самые большие размеры зерен. Однако H ₂ Se очень токсичен и классифицируется как опасный для окружающей среды .

Напыление металлических слоев с последующей селенизацией

В этом методе металлическая пленка 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. 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, Avancis , Miasolé , Honda Soltec и Energy Photovoltaics (EPV). Showa Shell распыляет слой сплава Cu-Ga и слой In с последующей селенизацией в H ₂ Se и сульфуризацией в H ₂ S. Стадия сульфуризации 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 уровне 11,3% для подложек площадью 3600 см 2 . 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. В модулях, продаваемых Shell Solar, 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.

EPV использует гибрид совместного испарения и распыления, при котором In и Ga испаряются в атмосфере Se. Затем следует распыление и селенизация меди. 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 металл или наночастицы оксида металла используются в качестве прекурсоров для роста CIGS. 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 предшественниками являются оксиды металлов, восстанавливают в атмосфере H ₂ / N ₂ . После обезвоживания оставшаяся пористая пленка спекается и селенизируется при температурах выше 400 ° C.

Nanosolar и International Solar Electric Technology (ISET) безуспешно пытались расширить этот процесс. ISET использует частицы оксида, в то время как Nanosolar не обсуждает свои чернила. Преимущества этого процесса включают однородность на больших площадях, безвакуумное или низковакуумное оборудование и возможность адаптации для производства рулонов . По сравнению с ламинарными слоями-предшественниками металла спеченные наночастицы селенизируются быстрее. Повышенная скорость является результатом большей площади поверхности, связанной с пористостью . Пористость обеспечивает более грубую поверхность поглотителя. Использование прекурсоров в виде частиц позволяет печатать на большом количестве материалов с использованием материалов 90% и более. Небольшие исследования и разработки поддерживали эту технику.

Nanosolar сообщил об эффективности клеток (не модуля) в 14%, однако это не было подтверждено никакими национальными лабораторными испытаниями, и они не разрешили инспекции на месте. В независимом тестировании 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 V _OC и низкого коэффициента заполнения , что свидетельствует о шероховатой поверхности и / или большом количестве 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 требуются токопроводящие электроды , металлическая фольга является логической подложкой. Электроосаждение элементарных слоев аналогично распылению элементарных слоев.

Для одновременного осаждения 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 обеспечивает противоэлектрод, а электрод сравнения измеряет и регулирует потенциал. Электрод сравнения позволяет выполнять процесс потенциостатически, что позволяет контролировать потенциал подложки.

Одновременное электроосаждение должно преодолеть тот факт, что стандартные восстановительные потенциалы элементов не равны, что приводит к предпочтительному осаждению одного элемента. Эта проблема обычно облегчается добавлением противодействующих ионов в раствор для каждого осаждаемого иона (Cu 2+ , Se 4+ , In 3+ и Ga 3+ ), тем самым изменяя потенциал восстановления этого иона. Кроме того, система Cu-Se имеет сложное поведение, и состав пленки зависит от соотношения потоков ионов Se 4+ / Cu 2+, которое может изменяться по поверхности пленки. Это требует оптимизации концентрации прекурсора и потенциала осаждения. Даже с оптимизацией воспроизводимость низкая на больших площадях из-за изменений состава и возможных падений вдоль подложки.

Полученные пленки имеют мелкие зерна, богаты Cu и обычно содержат фазы Cu _2-x Se _x вместе с примесями из раствора. Отжиг необходим для улучшения кристалличности. Для КПД выше 7% требуется поправка на стехиометрию. Первоначально корректировка производилась с помощью физического осаждения из паровой фазы при высоких температурах, что нецелесообразно в промышленности.

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

Комбинация прекурсоров с помощью техники склеивания пластин

В этом процессе две разные пленки-предшественники наносятся отдельно на подложку и суперстрат. Пленки прижимаются друг к другу и нагреваются, чтобы освободить пленку от многоразовой суперстраты, оставляя на подложке поглотитель CIGS (рис. 5). Heliovolt запатентовал эту процедуру и назвал ее процессом FASST. В принципе, предшественники могут быть нанесены при низкой температуре с использованием недорогих методов осаждения, что снижает стоимость модуля. Однако в продуктах первых поколений используются методы PVD при более высоких температурах, и они 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. В процессе совместного испарения Boeing на нагретую подложку наносятся бислои CIGS с различной стехиометрией, что позволяет им перемешиваться.

NREL разработал другой процесс, который включает в себя 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 заключительном этапе снова осаждаются In, Ga и Se, чтобы сделать общий состав Cu дефицитным.

Würth Solar начала производство элементов CIGS с использованием встроенной системы совместного выпаривания в 2005 году с эффективностью модулей от 11% до 12%. Они открыли еще одно производство и продолжили повышать эффективность и доходность. Другие компании, расширяющие масштабы процессов совместного испарения, включают Global Solar и Ascent Solar . 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). Однако модули из фильмов Global Solar не показали хороших результатов. Свойство, в котором модуль наиболее явно неэффективен, заключался в низком V _OC , который характерен 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 можно отнести проблемы с однородностью на больших площадях и связанную с этим сложность совместного испарения 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 дорогостоящим вакуумным оборудованием. Способом увеличения использования селена является процесс термического или плазменного крекинга селена, который может быть совмещен с источником ионного пучка для осаждения с помощью ионного пучка .

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) было реализовано несколькими способами для осаждения CIGS. Процессы включают CVD металлоорганических соединений при атмосферном давлении (AP- MOCVD ), CVD с плазменным усилением ( PECVD ), MOCVD низкого давления (LP-MOCVD) и MOCVD с использованием аэрозолей (AA-MOCVD). Исследования пытаются перейти от прекурсоров с двумя источниками к прекурсорам с одним источником. Прекурсоры из нескольких источников должны быть гомогенно смешаны, и скорость потока прекурсоров должна поддерживаться на должном уровне стехиометрии. Методы с использованием предшественников из одного источника лишены этих недостатков и должны позволять лучше контролировать состав пленки.

По состоянию на 2014 год CVD не использовался для коммерческого синтеза CIGS. Пленки, полученные методом CVD, имеют низкую эффективность и низкий V _OC , что частично является результатом высокой концентрации дефектов. Кроме того, поверхности пленки обычно довольно шероховатые, что еще больше снижает V _OC . 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 баланс и меньшие затраты. Возможные производственные проблемы включают трудности преобразования CVD в поточный процесс, а также стоимость обращения с летучими прекурсорами.

Электрораспыление

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

Пассивирование задней поверхности

Концепция пассивации задней поверхности солнечных элементов CIGS показывает потенциал для повышения эффективности. Концепция задней пассивации была взята из технологии пассивации кремниевых солнечных элементов. В качестве пассивирующих материалов использовались Al2O3 и SiO2. Точечные контакты наноразмеров на слое Al2O3 и линейные контакты на слое SiO2 обеспечивают 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.

Источник