量子效率/光谱响应/IPCE量测技术③:晶硅/CIGS电池制程改善应用

发表时间:2021-11-09      点击次数:756

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  1. 量子效率/光谱响应/ IPCE在晶硅太阳能电池制程改善上之应用

  2. 量子效率/光谱响应/IPCE在铜铟镓硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)太阳能电池之应用

  3. 量子效率/光谱响应/IPCE在电池薄膜太阳能电池(Thin-film Si tandem solar cell)之应用

  4. 资源 & 下载

  5. 推荐仪器


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  • 上期回顾丨量子效率/光谱响应/IPCE量测技术①:如何计算量子效率?

  • 上期回顾丨量子效率/光谱响应/IPCE量测技术②:创造高效率太阳能电池的最佳工具


量子效率/光谱响应/ IPCE在晶硅太阳能电池制程改善上之应用


  量子效率/光谱响应/ IPCE光谱不同波段反应太阳能电池各层的特性。在350 nm ~ 500 nm波段,光谱响应曲线是随着波长的增加而提升,因长波长光子穿透深度较深,接近pn接面,因此转换效率提升。800 ~ 1100 nm波段穿透到最下层的p层,光谱随波长增加而快速递减。可由图4单晶硅太阳能电池外部量子效率观察出各层反应特性。


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图4 晶硅太阳能电池量子效率光谱与各波长反应之示意图。插图为晶硅太阳能电池组件结构。


  以前图3为例,由光谱响应换算成量子效率可以得到下图5。A电池在300 nm ~ 500 nm效率效率较B电池低,欲再提升A电池的效率,应该要着重在抗反射层(300 nm~ 350 nm)与n层(350 nm ~ 500 nm)的制程上,作为改进之方向。


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图5 两个不同制程电池的量子效率光谱。


量子效率/光谱响应/IPCE在铜铟镓硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)太阳能电池之应用


  铜铟镓硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)属于四元化合物半导体,归类为单接面太阳能电池,图6为其常见的组件结构。


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图6 CIGS铜铟镓硒太阳能电池组件结构。[2]


  铜铟镓硒随着铟镓含量的不同影响其能隙的大小,使其其光吸收范围可从1.02 ev至1.68 ev。而量子效率/光谱响应/IPCE可以针对不同的太阳能电池来测试其能隙大小。如图7所示,当铜铟镓硒的镓的含量增加,而由量子效率/光谱响应/IPCE光谱量测的结果发现,其能隙随之增加,因此可做为制程中镓成分的检测工具。


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图7 相同组件结构下,改变不同的镓成分的量子效率光谱,显示随着镓的成分提高,铜铟镓硒的能隙亦随之增加,从1 eV提升到1.67 eV。[2]


  现阶段技术发展重点以降低成本和提高光电转换效率为研究方向,如图8绘出对应不同波段量子效率/光谱响应/IPCE光谱所反应之组件结构各部特性。如在波长 300 nm ~ 400 nm 可观察出Window层(ZnO)的量子效率,波长 400 nm ~ 540 nm 可观察出Buffer层(CdS)的量子效率,波长 540 nm ~ 1200 nm 可观察出Absorber层(CIGS)的量子效率。


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图8 铜铟镓硒太阳能电池量子效率光谱与不同波长段反应电池各层特性示意图。[3]


  图9的量子效率光谱是改变CdS的薄膜厚度,不改变CIS的制程条件,结果显示400-500 nm波段随着CdS的厚度变化(15 nm ~ 80 nm)而效率随之变化,在波长> 500 nm波段,显示了CIS的效率并没有显著差异,代表其制程条件稳定,最终可明确的评断出CdS最佳的膜厚条件为15 nm。若是相同的CIS制程条件,而> 500 nm波段光谱有所变化,则表示有其他的因素影响不同CdS薄膜厚度变化实验结果, 则可再分析相关的制作过程影响,达到单次制程实验得到最多有效信息之成效。透过量子效率/光谱响应/IPCE的检测可观察出制程改变之细部影响,并建立数据库进而作为产在线良率变化时,寻找问题、改善条件之方便工具。


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图9 调整不同CdS层厚度可由量子效率/光谱响应/IPCE光谱看到400~500nm波段对电池效率的影响。[2]


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图10 选用不同Buffer层材料所制作出的电池组件电流电压效率图,新材料 ZnS(O,OH)在短路电流上提升约1 %的变化,开路电压下降了25 mV。[2]


图11 不同Buffer层材料的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。显示ZnS(O,OH)层本身的转换效率优于CdS,惟对CIGS亦产生影响,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS接口问题,ZnS(O,OH)则具备应用之潜力。[2]


  由上述说明可了解量子效率/光谱响应/IPCE光谱,可提供铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)讯息如下:

  1. Window/ Buffer/ Absorber等各层的光电转换效率

  2. Absorber 铜铟镓硒中的镓浓度对材料能隙的鉴定

  3. 各层因制程条件转变所造成效率的变化程度


量子效率/光谱响应/IPCE在叠层薄膜太阳能电池(Thin-film Si tandem solar cell)之应用


  自2006年起硅薄膜太阳能电池吸引了许多研究与厂家投入,图12是双层堆栈型太阳能电池的组件结构。


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图12 叠层薄膜太阳能电池结构图;在TCO玻璃基板上先制作非晶硅薄膜,接着制作高掺杂浓度的接口层(intermediate layer)后,制作微晶硅薄膜与电极。


        图13是利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术量测非晶硅-微晶硅叠层薄膜太阳能电池各层的量子效率/光谱响应/IPCE光谱,此光谱对AM1.5G标准太阳光谱做计算可以得到各层的短路电流密度。若是利用太阳光模拟器与电流-电压曲线仪,仅能得到一个输出电流密度,无法知道各层电池的好坏,更无法订定明确的制程改善方向与目标[4]。


        以图13的结果为例,利用量子效率/光谱响应/IPCE光谱技术测出是由下层微晶硅电池限制了整体电池的输出电流,因此可以将制程改善的方向放在下层微晶硅电池的制程,藉由提高微晶硅电池的转换效率,使得上、下层电流密度匹配,即可提高整体效率,无需再设计更多的实验条件来验证是何层电池限制了整体电池效率,可大幅提升制程开发、效率改进的时程与成本。


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图13 非晶硅-微晶硅叠层薄膜太阳能电池上层电池与下层电池的量子效率/光谱响应/IPCE光谱。


  例如,为增加上层电池的电流密度,可以在上下层电池间增加一层中间反射层如ZnO,将原本会穿透上层非晶硅电池的光部分反射回上层电池中,形成光线捕捉(Light trapping)的功用,提升上层电池的电流密度。图14即为在标准双层非晶硅-微晶硅叠层太阳能电池中有无增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。图15为两种结构的量子效率/光谱响应/IPCE光谱测试的结果。我们可以了解到量子效率/光谱响应/IPCE光谱可以容易的检测出叠层薄膜电池微结构上的变化,做为制程改进上的有力依据。[5]


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图14 标准双层叠层电池结构及增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。


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图15 增加ZnO中间层制程前后的光谱响应/量子效率光谱。


总       结


在现今竞争激烈的太阳能产业中,不断地降低成本、提高光电转换效率,是太阳能厂商脱颖而出的必要条件。而太阳能电池转换效率的提升,关键在于制程及材料的改善。


测量太阳能电池的量子效率/光谱响应/IPCE,能了解太阳能电池在不同光波长下光电转换效率的情形,使用者可依据光谱响应的结果快速找到制程的问题点加以改善,更有助于效率的提升。


  • 上期回顾丨量子效率/光谱响应/IPCE量测技术①:如何计算量子效率?

  • 上期回顾丨量子效率/光谱响应/IPCE量测技术②:创造高效率太阳能电池的最佳工具


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