米乐(中国)官方网站 无铟 CuGaSe₂阐明薄膜太阳能电池的工作原理

米乐m6官方网站【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）光伏发电工程研究中心【研究中心主任：二木荣】先进工业工艺/高效率团队研究组组长柴田肇、首席研究员石冢正吾：CIGS太阳能电池一种无铟宽限制带宽铜镓硒₂这就是薄膜太阳能电池的工作原理异质 p-n 结的形成机制被阐明。到目前为止，CuGaSe₂转变为n型，但CuGaSe，其极度缺乏铜（Cu）₂的不同相层作为n型层，p型CuGaSe₂人们发现，通过与8669_8702|形成p-n结，它可以用作太阳能电池。

　这一发现使我们能够提出一种新的太阳能电池器件结构，其带隙比目前制造的 CIGS 太阳能电池更宽。能量转换效率，将会加速。

　该成果的部分成果是在独立行政机构新能源与产业技术发展组织的支持下获得的，详细信息可以在美国物理研究所出版的学术期刊上找到。应用物理快报”很快就会发布到网上。

铜镓硒2太阳能电池器件结构和横截面的电子显微照片

太阳能发电作为一种有前景的可再生能源而备受关注。当前，能源利用正在稳步推进，正从替代能源转变为主要能源之一。 CIGS太阳能电池是薄膜太阳能电池之一，具有高转换效率、高耐老化、纯黑、轻质和柔性等特点，并且有望实现低成本。单结太阳能电池获得高转换效率，理论上约为14eV的材料被认为是最优的。 CIGS太阳能电池通过改变铟（In）和镓（Ga）的成分比例来减小禁带宽度。CuInSe₂CuGaSe₂可以将带隙控制在17eV以下，但迄今为止达到最高效率的太阳能电池的禁带宽度相对较窄，为11至12eV，存在即使将带隙控制得更宽也无法获得理论上预期的高效率的问题。

由于 CIGS 基本上是 p 型半导体，因此它与称为缓冲层的 n 型半导体结合，形成太阳能电池运行所需的 p-n 结。这种n型半导体材料的选择被认为对于宽带隙CIGS太阳能电池获得高转换效率非常重要，但迄今为止尚未发现能够充分发挥宽带隙CIGS性能的缓冲层材料。此外，关于p-n结的形成和界面状态存在许多未知数，而这些是太阳能电池器件运行的基本原理。因此，尽管宽带隙CIGS材料的使用被认为是提高CIGS太阳能电池效率的有前途的方法，但实现高效率所需的器件结构的设计指南尚不清楚。

　AIST正在研究开发各种太阳能电池的效率提高和评估技术，目的是进一步扩大太阳能发电的利用。光伏工程研究中心的先进工业工艺和高效团队负责CIGS太阳能电池，正在与大学和企业合作，从基础到应用的广泛角度推动研究和开发。AIST 新闻稿，2013 年 9 月 26 日、2013 年 3 月 18 日日产 AIST 新闻稿、AIST 新闻稿，2011 年 6 月 20 日）。

无铟 CuGaSe₂太阳能电池的重要性已被公认的是宽禁带CIGS太阳能电池，但获得高转换效率极其困难，迄今为止还没有转换效率超过10%的报道。然而，最近，AIST最近开发了这种无铟的CuGaSe₂我们首次成功实现太阳能电池的转换效率超过 10%。这次，这个 CuGaSe₂我们利用太阳能电池对p-n结的形成机制进行了研究。

本研究的一部分得到了独立行政机构新能源产业技术综合开发机构委托项目“柔性CIGS太阳能电池的高速成膜及高性能工艺的开发”、“宽间隙CIGS太阳能电池的高效技术的开发”、“CIGS太阳能电池的器件模拟技术的开发”（2010-2010财年）的委托项目的支持。

铜镓硒₂是p型半导体，目前还没有稳定的n型转换的报道。换句话说同质 p-n 结的形成₂层和缓冲层形成异质p-n结。然而，CuGaSe₂太阳能电池设备电子束感应电流法，p型CuGaSe₂该层与n型CdS层和p型CuGaSe层之间的界面处没有形成p-n结₂层表面存在的缺铜(Cu)异相层充当n型层，p-CuGaSe₂与该层形成p-n结（图1）。理论上CuGaSe₂成n型，但这个结果表明CuGaSe₂的缺铜多相可制成n型、p-CuGaSe₂形成p-n结。

图1电子束感应电流法的CuGaSe2太阳能电池中p-n结的观察

　此外，该缺铜异相层具有 CuGaSe₂钾 (K)、钠 (Na) 等浓度高于层内碱金属元素的存在得到证实（图2）。 Na 对于具有高转换效率的 CIGS 太阳能电池至关重要掺杂剂，已知其效果之一是改善p型导电性。基于这些结果，碱金属元素预计不仅在控制p型导电性方面发挥重要作用，而且在更精确地控制p-n结方面发挥重要作用。

图2二次离子质谱法测量的p-n结附近的元素分布 二次离子强度（元素丰度）是一个相对量。

到目前为止，CuGaSe₂为了提高太阳能电池的效率，寻找适合宽带隙材料的n型缓冲层材料一直很重要。然而，这一发现表明，不仅缓冲层而且贫铜异相层都可以用来形成p-n结并控制其性能，并且可以将其应用于CIGS太阳能电池器件的新结构设计。铜镓硒₂并展示了宽带隙 CIGS 太阳能电池。

　未来，我们将研究锌（Zn）和镉（Cd）等二价杂质元素与碱金属元素的相互作用，这些元素被认为与贫铜异相层的n型导电性有关，K和Na的影响差异以及相关的电子态等。₂之外，我们的目标是阐明CIGS太阳能电池中p-n结形成机制的细节，该机制同样有许多未知点，并将其应用于旨在提高效率的器件结构的新设计。

　此外，我们计划将所获得的成果应用于接近商业产品的太阳能电池模块的生产，并致力于提高使用宽带隙CIGS的光和可弯曲柔性太阳能电池模块的效率。

CIGS In、Ga成分比与禁带宽度的关系

◆CIGS太阳能电池

铜(In,Ga)Se₂太阳能电池的缩写，也称为CIS太阳能电池。铜(In,Ga)Se₂是由铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）和硒（Se）组成的半导体材料。有时混入硫（S）以控制物理性质，有时缩写为CIGSSe。它具有高抗辐射特性，可以制成轻量和柔性，并且有望实现低成本，因此除了与传统太阳能电池板相同的使用方式外，它有望具有广泛的应用，包括在太空环境中使用以及安装在难以引入太阳能电池板供消费者使用的地方。
太阳能电池材料的一个重要物理性能指标是禁带宽度（也称为能隙、带隙等），而在CIGS太阳能电池中，通过控制组成元素的组成比，可以在较宽的范围内控制禁带宽度。[返回来源]

◆宽禁带宽

在CIGS太阳能电池中，禁带宽度可以通过改变组成元素铟(In)和镓(Ga)的组成比来调节。₂从10 eV（eV：电子伏特是表示禁带宽度的单位）到CuGaSe₂目前，CIGS太阳能电池以约7:3的In:Ga组成比和11至12eV的禁带宽度实现最大效率，并且具有更宽禁带宽度的CIGS有时被称为宽带隙CIGS或宽带隙CIGS。理论上，禁带宽度约为14 eV是获得高转换效率的最佳选择，但CIGS太阳能电池在禁带宽度大于12 eV时并不能达到理论上的高效率。禁带宽度可以通过增加Ga、硫等的含量来加宽，但为了实现更高的效率，需要实现能够发挥如此宽带隙的CIGS材料的性能的器件结构。[返回来源]

◆异质p-n结、同质n结

负(n否定)的电子的运动而产生电流的半导体称为n型半导体。它也被描述为其中多数载流子是电子的半导体。另外，积极的（p积极)电荷的空穴的移动而产生电流的半导体称为p型半导体，也表示为多数载流子为空穴的半导体。 p型和n型半导体之间的结称为p-n结，用于太阳能电池等电子器件。由相似材料制成的p-n结，例如p型和n型硅(Si)结，称为同质结，而p型和n型由不同材料制成的p-n结称为异质结。
太阳能电池的原理也可以在AIST光伏工程研究中心的网站上找到。
http://unitaistgojp/rcpvt/ci/about_pv/principle/principle_3html　[返回来源]

◆异相层

这里，铜镓硒₂（Cu:Ga:Se元素比例为1:1:2的相），组成元素比例与此不同，例如CuGa₃Se₅和 CuGa₅硒₈之类的相组成的层[返回来源]

◆能量转换效率

太阳能电池的能量转换效率计算为产生的电能/输入光能 x 100%。通常使用称为太阳模拟器的测量设备来测量，该设备使用模拟太阳光源。[返回来源]

◆单结太阳能电池

由一个p-n结或金属-半导体结组成的太阳能电池称为单结太阳能电池。这是最基本的太阳能电池结构。另一方面，由多个p-n结等组成的太阳能电池，其目的是分阶段吸收不同波长范围的光，称为多结（也称为堆叠、串联、多结等）太阳能电池。[返回来源]

◆eV

1 eV 约为 16×10^-19J（焦耳），定义为一个电子被1V电位差加速时的能量。电子伏特广泛用于表示电子所拥有的能量。这里，它是表示禁带宽度（大小）的单位。[返回来源]

◆电子束感应电流法

电子束感应电流 (EBIC)法律。通过用电子束照射半导体器件，在照射区域局部产生电子空穴对，并被器件内部电场分离，检测产生的电流以获得有关半导体器件结结构的信息。[返回来源]

◆碱金属元素

元素周期表 IA 族六种元素的总称，包括锂、钠和钾。铜镓硒₂中的碱金属元素CIGS 层是由于用于基板的钠钙玻璃的扩散而形成的。 20世纪90年代初，人们发现它与提高CIGS太阳能电池的性能有关。[返回来源]

◆掺杂剂

添加到半导体中的杂质，在禁带内形成杂质能级。这些有助于产生有助于 n 型和 p 型导电的电子和空穴。[返回来源]