CuInS2薄膜太阳能电池

太阳能是人类取之不尽用之不竭的清洁可再生能源.在太阳能的有效利用中,光伏发电是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，目前，在大规模应用和工业生产中,晶体硅太阳能电池占据主导地位，但由于受晶体硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响,其生产成本居高不下.因此，人们将目光投向低成本、高稳定性的CulnS2(CIS)薄膜太阳能电池

CulnS2材料的性质、制备方法以及电池结构与目前得以广泛研究的黄铜矿结构的 CulnSe,光吸收材料相似,均具有吸收系数高、本征缺陷自掺杂、易于选择窗口材料、结构缺陷电中性等特点.但又具有其独特的特性.CulnS2材料的禁带宽度接近太阳能电池材料所需的最佳禁带宽度值.因此不需要添加其他元素来调整其禁带宽度，从而简化了生产过程，提高了生产的稳定性，目前的主要问题是如何促进CulnS2太阳能电池产业化进程,并在此基础上提高电池的光电转换效率和降低电池的生产成本，另外,薄膜的生长机理和缺陷形成机制及其对电池光电转换效率的影响等理论方面的研究还有待深人

CuInS2电池的研究状况

 

2.1CulnS2材料的微观结构与特性

CuInS2是重要的【B-MA-VA族化合物半导体材料，为直接带隙半导体材料,禁带宽度为.55eV,且禁带宽度对温度的变化不敏感,非常适合作为太阳能电池的光吸收材料.CulnS2材料的吸收系数高达10的5次方cm~数量级，以其作为太阳能电池的光吸收层,厚度仅需1-2um.在室温下，CulnS2的晶体结构为黄铜矿结构，这种结构可以看作是由两个面心立方晶格套构而成.一个为阴离子S组成的面心立方晶格,另一个为阳离子(Cu,In)对称分布的面心立方晶格.CulnS2的晶体结构属正方晶系，晶格常数a=0.5545nm.c=1.1084nm,其c/a随着材料制备工艺的不同会有少许变化..当 CulnS2化合物成分偏离化学剂量比时就会产生点缺陷，1 -Ⅲ一V族化合物的本征点缺陷如空位、间隙和位错的种类达12种引,这些点缺陷会在禁带中产生新能级,因此，CulnS2具有本征缺陷自掺杂特性,不需要其他元素的掺杂,仅通过调整自身元素的成分就可以获得不同的导电类型另外，CulnS2允许成分偏离化学计量比范围较宽，即使严重偏离化学剂量比依然具有黄铜矿结构以及相似的物理及化学特性.由于 CulnS2半导体材料不必借助外加杂质,因此其抗干扰、抗辐射性能稳定,制成的光伏器件的使用寿命长,并且适于空间应用

2.2CulnS2电池的发展历程

20 世纪 70 年代人们开始关注 CuInS2作为太阳能电池吸收材料的研究.1974年,美国贝尔实验室最早采用 CuInS2作为太阳能电池吸收材料制备 CIS/CdS电池.1977年,Wagner等也成功地制备了p-CulnS/n-CdS 结构的电池.1984年,Hodes5等采用电镀合金预制薄膜,然后用H,S硫化方法制备 CIS薄膜.1992 年,Walter等采用共蒸发方法制备 Culn(Se,S)/CdS电池,其光电转换效率达到10%.图1显示了 CIS 薄膜太阳能电池光电转换效率的发展,目前实验室水平达到12.5%

2.3CulnS2蒲膜制备方法

制备 CulnS2薄膜的方法有硫化法”、真空多元共蒸发法,喷雾热解法s，电沉积法19.10]  ,雾化化学气相沉积法、射频溅射法、有机金属化学气相沉积法(131、离子层气相反应法1141等.其中电沉积方法制备 CuInS2薄膜时，由于三元共沉积容易析出杂质,很难形成单一 CulnS，黄铜矿相.另一种较为新颖的方法是非真空制备 CuInS2薄膜两步法[16]第一步采用化学沉积方法合成预制薄膜(包括采用 In2(SO4)3和 Na2S203水溶液制备 InS 薄膜,采用 CuSO4和 Na2S203水溶液制备Cu2S薄膜);第二步是将 InS/Cu2S薄膜在300℃保温 30min,形成接近化学计量比的 CulnS2薄膜

目前研究较多的主要是多元真空共蒸发方法和硫化法.多元真空共蒸发法就是采用 Cu,In,S三种元素材料共同蒸发沉积到特定温度的衬底上硫化形成CulnS,薄膜的过程.其优点是材料沉积和薄膜的形成可以一步完成,但是在制备过程中很难控制各个元系的蒸发速率相保持利低温度的稳定·日别，可以工业化生产的主要是硫化法,即在H2S或S的气氛中对预制薄膜进行硫化,其中预制薄膜可以是 Cu-In 二元合金薄膜、Cu-In-0三元相薄膜或 Cu-In-s三元相薄膜.研究较成熟的方法是采用H2S气体进行硫化”,但由于HS 的使用不符合环保要求,近年来人们开始重视采用硫蒸气的硫化方法 

 

2.4CuInS,薄膜生长机理

除 CulnS2材料成分偏差容易引发施主或受主能级外,Onishi等的实验表明,CulnSe2晶体结构畸变也可能引发施主或受主深能级，如形成能级为

0.83-1.24eV 深复合中心，CuInS2化合物中存在的大量本征缺陷和深复合中心是影响 CulnSz电池光电性能的主要因素.而 CulnS2薄膜的生长机理和缺陷形成机制又与制备工艺方法密切相关.因此，选择适当的制备方法并有效地控制和减少缺陷的形成是制备高效率 CulnS2电池的关键.光致发光谱191、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱是常用的检测 CulnSe薄膜光学特性和结构的分析测试方法.对 Cu-In 合金的硫化反应过程的测试表明，CulnS2的形成动力学与CulnSe2不同.CulnSe2的形成过程一般是先形成 Cu-Se 和 In-Se 的二元相,然后由 Cu-Se 和 In-Se的二元相化合生成 CuInSe2因此，CulnSe2的形成主要受二元相硒化反应速度的限制;而 CulnS2的形成过程是 Cu-In 合金相与S直接化合生成三元相的过程，CulnS2的形成主要是受到各元素扩散速度的限制,因此可以通过提高反应温度来促进 CulnS2化合反应的进行。

 

点击咨询：硫酸铜    硫酸铟   硫代硫酸钠

                            

                                                                 克拉玛尔试剂tel: 4001650900