量子效率、光谱响应在CIGS电池的应用.pdf

光谱响应 /量子效率在 CIGS 电池的应用周呈悦 1 廖华贤 2 （ 1.北京东方中科集成科技股份有限公司， zhoucy@oimec.com.cn2.光焱科技股份有限公司 , joseph@enli.com.tw ）在当前的太阳能电池产业里，为了追求效率和成本的突破，太阳能电池技术日益进步，其中第二代太阳能电池（薄膜电池）被认为有很大的潜力，因其节省材料，可在价格低廉的玻璃，塑料或不锈钢基板上制备，可大面积制造等优点，被各太阳能电池研究者所看好，各厂商也不断的致力于效率的提升和成本的降低。本文针对第二代太阳能电池中的铜铟镓硒电池进行讨论， 通过光谱响应的测量， 观察电池结果内各层的特性， 以此作为工艺改进的基础依据， 并有效的设定工艺改善的放心， 大幅提高工艺开发，效率改进的时效和成本。此外，所得到的数据资料，通过建立数据库，使用者可方便的作为产线上良率变化时，寻找问题，改变工艺的有效工具。铜铟镓硒 CIGS（ Copper Indium Gallium Selenium ）属于四元化合物半导体，图 1 为其常见的电池结构。图 1 CIGS 电池典型结构 [1]铜铟镓硒随着铟稼含量的不同，能隙发生明显变化，使其光吸收的范围可从 1.02eV 变化到 1.68eV。东方集成 -光焱科技的光谱响应 /量子效率 /IPCE 测试系统 QE-R 可以针对不同的太阳能电池来测试其能隙的大小。 如图 2 所示， 当铜铟镓硒中的稼含量增加时， 从光谱响应 /量子效率 /IPCE 的测量结果发现，其长波限向短波长方向移动，能隙逐渐增加。因此，QE-R 可以作为工艺中分析镓成分的测量工具。图 2 相同器件结构下，改变不同的镓成分的量子效率图，显示随着镓的成分提高，铜铟镓硒的能隙随之增加，从 1eV 增加到 1.67eV 。 [1]目前太阳能电池技术发展的重点以降低生产成本和提高光电转换效率为主要研究方向，而提升铜铟镓硒电池的转换效率以最佳化其成分的黄金比例和厚度为主， 在此基础上系统的研究 CIGS 电池其它层的结构特性对其工艺效率和整天器件结构设计的影响， 进而有效提升CIGS 薄膜太阳能电池的转换效率。因铜铟镓硒负责的元素组成、结构，使得研究困难，而光谱响应 /量子效率 /IPCE 测试可以分析其复杂的组成，提供工艺改进最有利的依据。如图 3所示，不同波长的量子效率反应器件结构各部分的特性。如在波长范围 300nm-400nm 可观察窗口层（ ZnO）的量子效率，波长 400nm-540nm 可观察出 Buffer 层（ CdS）的量子效率，波长 540nm-1200nm 可观察出 Absorber 层 (CIGS) 的量子效率。图 3 铜铟镓硒太阳能电池量子效率光谱与各波长反应的器件结构示意图 [2]例如， CdS Buffer 层的厚度，工艺条件均对最终电池的效率有显著的影响。调整不同的CdS 工艺， 虽然可以由电流电压曲线测量得到电池整体效率是否提升， 但所得到的信息十分有限，若实验中有其它因素的改变（如 CIS 或 CIGS 吸收层发生变化） ，就会影响电流电压曲线分析的结果， 无法作为可靠的分析依据。 而光谱响应可以同时观测到电池各层的独立特性，可作为结果判断的明确依据。例如，改变 CdS 的薄膜厚度，不改变 CIS 的工艺条件，如图 4 所示，在 400nm-500nm 波段量子效率随着 CdS 厚度变化（ 15nm-80nm ）发生变化，在波长 >500nm 范围显示 CIS 的量子效率没有明显的差异，代表其工艺条件稳定，最终可以明确的判断出 CdS 最佳的薄膜厚度条件为 15nm。若以相同的 CIS 工艺条件，而 >500nm 波长量子效率有所变化，则表示有其它因素影响不同 CdS 厚度变化的实验结果，可再分析相关工艺过程的影响，达到一次工艺实验得到最多信息的功能。通过光谱响应可以观察出工艺改变产生的细节影响， 建立响应的数据库可作为产线上良率变化时，寻找问题，改善工艺的有效工具。图 4 光谱响应 /量子效率光谱在 400~500nm 波长反应调整不同 CdS 层厚度对电池效率的影响 [1]光谱响应 /量子效率 /IPCE 可以提供比电流电源曲线更多的工艺改进信息。图 5 为 ZnS替换 CdS 作为 buffer 层的新结构，从电流电压曲线上 ZnS（ O， OH）结构的 CIGS 在短路电流密度上提升了约 1%，但在开路电压下降了 25mV ，从图 6 的光谱响应 /量子效率 /IPCE 结果可以明确了解到 300nm-500nm 波长范围内 ZnS 层的转换效率高于传统的 CdS 层， 增加了1.4 mA/cm2 ， 但也造成了 CIGS 波段 600-1000nm 范围电流密度贡献下降了 1 mA/cm2 ， 而在两种结构下的等效能隙变化了 10 meV。 由此可以判断 ZnS 材料具备比 CdS 材料好的光电转换能力，但其对 CIGS 也产生了部分影响，若能改进 ZnS 与 CIGS 的界面问题，则 ZnS 具有相当大的应用潜力。 同时光谱响应 /量子效率 /IPCE 可以提供更多的器件内部各层信息， 作为器件效率，工艺改进的参考。图 5 选用不同 Buffer 层材料所制作出的电池器件电流电压效率图，新材料 ZnS（ O， OH）在短路电流上提升约 1%，开路电压下降了 25mV. [1]图 6 不同 Buffer 层材料的光谱响应 /量子效率光谱 [1]综上所述，可以了解到量子效率 /量子效率 /IPCE 测量，可得到的铜铟镓硒太阳能电池（ CIGS）信息如下： 1.Windows 层 /Buffer 层 /Absorber 层等各层的光电转换效率。 2.Absorber层铜铟镓硒中镓浓度对材料能隙的判定。 3.各层因工艺条件改变造成的效率变化程度。另外，东方集成 -光焱科技太阳能电池光谱响应 /量子效率 /IPCE 系统校正能力已经取得ISO/IEC 17025 校正实验室认证，目前为全世界唯一取得此项实验室认证的厂家。专业的QE-R 太阳能电池光谱响应测试设备， 能附加透射率， 反射率测量部件， 测试电池的透射率、反射率和内量子效率， 并可搭配客户所需的各种载台， 提供太阳能电池光谱响应测试全方位的解决方案。更多详情，敬请登录 www.jicheng.net.cn联系方式：北京东方中科集成科技股份有限公司免费咨询热线： （ 400-650-5566）电子邮箱： zhoucy@oimec.com.cn 参考文献：1. A. Pudov “ IMPACT OF SECONDARY BARRIERS ON CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐ CELL OPERATION” , Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 20052. Markus Gloeckler “ DEVICE PHYSICS OF CuIn1-xGaxSe2 SOLAR‐ CELL” Dissertation, Dep. Of Physics, Colorado State University, 2005