电池缓冲层的制备工艺设计

电池缓冲层的制备工艺设计

电池缓冲层的制备工艺设计

  • 适用:本科,大专,自考
  • 更新时间2024年
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电池缓冲层的制备工艺设计

               电池缓冲层的制备工艺设计
4.4.1 CdS薄膜的制备工艺
采用化学水浴法(CBD法)制备高致密的CdS薄膜,下面采用醋酸镉溶液体系沉积CdS薄膜,对薄膜沉积工艺、材料的组织结构、光学与电学性能进行了研究,并应用于CIGS薄膜太阳电池缓冲层的工艺制备,单体电池的效率最高达到12.1 %,取得了很好的结果。
制备方法:制备CdS薄膜的溶液。在1000mL的烧杯容器中配比0.14mol/ L NH4OH、
1mol/ L Cd ( CH3COO)2、5mol/ L NH2CSNH2和1mol/ L CH3COONH4,使用的化学溶液的pH = 1113 ~1115。配置好药品均为分析纯溶液以后,将17片20×40mm的基片衬底同时安置在四方立体支架的四壁上,排成4列5行,支架沉在配置好的溶液中。衬底材料为普通钠钙玻璃、镀Mo玻璃和镀Mo玻璃上沉积CIGS薄膜的基片。再将盛有溶液的烧杯放入温度为 80oC的恒温水浴槽中。在四方立体支架中间放置搅拌棒,搅拌桨叶与从上往下数的第Ⅳ行样品深度相当,搅拌沉积时间约10min。用美国 AMBLOS XP - 2 型台阶仪测试薄膜厚度及表面粗糙度,H L5550PC型霍尔效率测试仪测定CdS薄膜的电阻率性能,用日立公司的S - 3500N扫描电镜、荷兰 X’Perpro - X射线衍射仪、荷兰 PAN-alytical产的 X’pert Pro X射线衍射仪(XRD)及MagiX- PW2403 X射线荧光光谱仪(XRF)测试CdS薄膜的表面形貌分析、晶相结构及成分。
由上可得出结论:在醋酸镉盐体系中,采用CBD法沉积CdS薄膜时,同一条件下制备薄膜厚度与搅拌强度有很大关系,这表明薄膜的生长速率是由OH-和SC(NH2)2的扩散传质为控制步骤。由此可见:
1)大面积CdS薄膜的均匀性取决于均匀的搅拌强度;
2) CdS的透过率不仅与薄膜厚度有关,当厚度大于65nm时,透过率在530nm波长附近有一个拐点,出现一个最大值,而后随着波长增大透过率有所下降,最后透过率趋于稳定;
3) CdS的电阻率和方块电阻在104~105Ω•cm与109~1010Ω之间。
4.4.2  ZnS薄膜的制备工艺
  ZnS是具有3. 65 eV禁带宽度的本征半导体[18]。兼有闪锌矿(面心立方结构即β- ZnS)和纤锌矿(六方结构即α-ZnS)两种结构[19]。在铜铟镓硒 (简称CIGS)电池中充当缓冲层,是制作薄膜太阳电池的优良材料。目前在太阳能薄膜电池中广泛应用的缓冲层是硫化镉(CdS)。但是作为过渡层的CdS薄膜,在制备过程中涉及到有毒的Cd离子,所以需要寻找一种具有同等性能且无毒的材料来代替CdS薄膜。目前已经有报道[20], CIGS/ZnS异质结结构的太阳电池的转换效率已达到18.6%[21]。所以ZnS薄膜有望取代CdS。
下面采用廉价的、适用于大面积沉积薄膜的技术 — — 化学浴沉积法 (Chemical Bath Depositi on CBD)制备ZnS薄膜。采用化学浴沉积法沉积ZnS缓冲层,一般使用氨水以及氨水和水合肼作为Zn离子的络合剂。本文探索了采用硫酸锌、(NH4) 2S2O3为主要试剂制备ZnS薄膜,用(NH4 )2S2O3作为硫源的还没有见到报道。利用SEM、XRD和紫外-可见光透射谱研究了制备过程中沉积时间以及退火时间对薄膜的结构、形貌以及光学性能的影响。
由上可得出结论:在适当的工艺条件下用(NH4 ) 2 S2O3作为硫源,采用化学浴沉积法可以制备出比较均匀的ZnS薄膜,本实验条件下沉积的ZnS薄膜具有纤锌矿(六方结构即α- ZnS) 结构。在沉积温度为80oC火温度为200oC,时间为2 h时,ZnS薄膜的禁带宽度约3.75eV。分散剂丙三醇的添加对成膜有利。沉积温度对能否成膜影响不大。相同的沉积时间,温度越高,薄膜到达饱和膜厚的时间就越短。退火温度300oC,2h制得的薄膜最为均匀致密。
缓冲层的制备是批量生产的瓶颈。一方面,因为缓冲层的制备采用化学沉积法,不能直接与其他包括物理气相沉积在内的干法工艺过程结合在一起,只能独立操作,影响流水生产线的建立;另一方面,目前使用的CdS薄膜中含高污染金属—— —镉, 对环境产生一定的不利影响,所以CdS的应用将越来越制约CIGS的批量生产。为了解决以上问题,研究人员一直在研究新的有利于批产的缓冲层制备方法,同时还在积极研制不含镉的绿色材料替代CdS,除了上述提到的ZnS或CdZnS被作为CIGS薄膜太阳电池的缓冲层,还有很多材料(如 In2S3, ZnSe, ZnO, SnO2, ZnIn2Se4 等)正在被研究、开发使用,以制备绿色无镉高效CIGS薄膜太阳电池。
4.5 窗口层ZnO薄膜的制备工艺
在上面我们已经简单介绍了窗口层ZnO薄膜是由高阻ZnO(本征 ZnO或i-ZnO)和低阻ZnO(ZnO:Al或n-ZnO) 构成。下面介绍一种ZnO薄膜的制备工艺,高阻ZnO薄膜采用交流磁控溅射高纯度ZnO靶材制备,低阻ZnO:Al薄膜采用Al2O3掺杂2.5%的ZnO靶进行直流磁控溅射。
通过制备表明,不同的溅射工艺条件会使ZnO薄膜结构与特性有很大的差别。改变溅射功率、Ar气压强以及溅射时间等工艺参数,其晶相结构、电子迁移率、电阻率都很敏感地依赖于工作气压和溅射功率,薄膜厚度也对ZnO薄膜的性能也有一定的影响。影响ZnO薄膜性能的因素:
1) 高阻ZnO薄膜的性能主要是依赖于溅射时O2气的含量,当O2/Ar超过 2%以后,薄膜的电阻率上升很快,气压的变化影响不大。但较低的溅射气压需要过高的电压起辉, 使高能量的离子对CIGS薄膜轰击严重。随着 O2气含量的降低,高阻ZnO薄膜的透光率也会随之下降。
2) 高阻ZnO的电阻率与溅射功率存在一定的关系,随着溅射功率的增大,方块电阻呈线性缓慢地下降。溅射功率过高使 CIGS薄膜受到等离子体的轰击,降低了电池的短路电流密度而影响电池的效率。
3) 溅射压强对ZnO:Al薄膜晶相有明显的影响,随溅射压强的下降衍射峰变窄, 强度增大,结晶状态良好;溅射压强高则ZnO:Al薄膜的衍射峰强度不但低而且晶相杂乱。
4) ZnO:Al薄膜的迁移率与溅射压强和薄膜厚度都有一定的对应关系,溅射气压降低电子迁移率增大,薄膜厚度降低电子迁移率减小。
5) 在室温下ZnO:Al薄膜的电阻率随溅射功率的增大而降低,变化较为明显。而过高的溅射功率对CIGS薄膜的晶体结构造成损害。因而优化溅射功率对制备高效电池具有重要意义。
6) ZnO薄膜的性能对电池的填充因子影响很大,通过改变高阻ZnO膜制备过程中的O2/Ar比可改善高阻ZnO的电阻率和迁移率,改变低阻ZnO:Al薄膜的溅射气压及功率,则提高迁移率近1倍。这两项工艺的改善使电池的填充因子提高到了64%。
5 应用设计
太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,太阳能作为一种巨量可再生能源,可以说是取之不尽、用之不竭的。同时,随着太阳能光伏技术的发展和进步,太阳能发电在某些领域发展已经日趋完善。铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池是目前最有发展前途的太阳能电池,正逐步运用到人民的生活中。下面就简单介绍一下CIGS薄膜太阳能电池在建筑光伏一体化中的应用。
5.1 光伏系统原理与应用
5.1.1 光伏电池
光伏电池是将太阳能转换成电能的转换器。其发电原理是光生伏打效应,即太阳光照射到电池上时,电池吸收光能,产生光生电子-空穴对,在电池内建电场的作用下,光生电子与空穴被分离形成电压。
5.1.2 光伏发电系统
太阳能电池单体是光伏转换的最小单元,工作电压约为0.45~0.5V,一般不能单独作为电源使用。为了便于使用,将太阳能电池单体进行串并联并封装后形成可以单独作为电源的单元组件,也称为光伏组件。为满足负载所要求的输出功率,将光伏组再经过
串并联就形成了具有一定输出功率的光伏方阵或太阳能阵列。

  • 关键词 电池 缓冲 制备 工艺
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