구리 인듐 갈륨 셀레 나이드 태양 전지 (또는 CIGS 셀, 때로는 CI (G) S 또는 CIS 셀)는 태양 광을 전력으로 변환하는 데 사용되는 박막 태양 전지입니다. 이것은 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레 나이드의 얇은 층을 유리 또는 플라스틱 배킹 상에 증착하고 전류를 수집하기 위해 전방 및 후방의 전극과 함께 제조된다. 이 물질은 높은 흡수 계수를 갖고 햇빛을 강하게 흡수하기 때문에 다른 반도체 재료보다 훨씬 얇은 필름이 필요합니다.
CIGS는 세 가지 주류 박막 PV 기술 중 하나이며, 나머지 두 가지는 텔루 라이드 카드뮴 및 비정질 실리콘입니다. 이러한 재료와 마찬가지로 CIGS 층은 유연성을 가지기에 충분히 얇기 때문에 유연한 소재 위에 증착 할 수 있습니다. 그러나 이러한 모든 기술은 일반적으로 고온 침착 기술을 사용하기 때문에 CIGS 셀의 저온 침착 기술이 이러한 성능 차이의 대부분을 없애더라도 최상의 성능은 일반적으로 유리에 증착 된 셀에서 발생합니다. CIGS는 셀 수준에서 폴리 실리콘을 능가하지만 성숙도가 낮은 업 스케일링으로 인해 모듈 효율성은 여전히 낮습니다.
박막 시장 점유율은 약 15 %로 정체되어 결정질 실리콘으로 만들어진 기존 태양 전지 시장에 나머지 태양 광 시장을 남긴다. 2013 년에는 CIGS만의 시장 점유율이 약 2 % 였고 모든 박막 기술이 결합하여 10 % 미만으로 떨어졌습니다. CIGS 셀은 박막 기술의 전형적 인 것처럼 저비용을 유지하면서 실리콘과 같은 효율성에 도달 할 것을 약속하면서 계속 개발되고 있습니다. CIGS 태양 광 발전의 유망한 제조업체는 현재 파산 한 회사 인 Nanosolar 및 Solyndra였습니다. 현재 시장 선두 주자는 일본 회사 인 Solar Frontier, Global Solar 및 GSHK Solar이며 카드뮴이나 납과 같은 중금속이없는 태양 전지 모듈을 생산합니다.
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CIGS는 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄으로 이루어진 I-III-VI2 화합물 반도체 재료이다. 이 재료는 CuInxGa (1-x) Se2의 화학 공식을 가진 구리 인듐 셀레 나이드 (copper indium selenide) (종종 “CIS”로 약칭 함)와 셀렌 갈륨 셀렌화물 (copper gallium selenide)의 고용체이다. x의 값은 1 (순수 구리 인듐 셀레 나이드) ~ 0 (순수 구리 갈륨 셀렌화물). 그것은 chalcopyrite 결정 구조를 가진 tetrahedrally bonded 된 반도체입니다. 밴드 갭은 x가 약 1.0eV (구리 인듐 셀레 나이드의 경우)에서 약 1.7eV (구리 갈륨 셀레 나이드의 경우)로 연속적으로 변한다.
CIGS는 1.5eV 및 더 높은 에너지 광자에 대해 105 / cm 이상의 매우 높은 흡수 계수를 가지고 있습니다. 국가 재생 에너지 연구소 (NREL), 스위스 연방 물질 과학 기술 연구소 (Empa) 및 독일 Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW)에 의해 약 20 %의 효율을 가진 CIGS 태양 전지가 주장되었다. 태양 에너지 및 수소 연구를위한), 박막 태양 전지에 대한 현재까지의 기록이다.
구조
CIGS 태양 전지의 가장 일반적인 소자 구조는 그림에 나와 있습니다 (CIGS 소자의 구조 참조). 대략 1-3 밀리미터 두께의 소다 – 석회 유리가 기판으로서 일반적으로 사용되는데, 그 이유는 유리 시트가 표면 및 결정립 경계 결함 부동화를 통해 실질적인 개방 회로 전압 증가를 나타내는 나트륨을 함유하기 때문이다. 그러나 많은 회사들이 폴리이 미드 (polyimide) 나 금속 포일 (metal foil)과 같은 더 가볍고 유연한 소재를 찾고 있습니다. 후면 콘택트 역할을하고 대부분의 흡수되지 않은 광을 CIGS 흡수재로 다시 반사시키는 몰리브덴 (Mo) 금속층이 증착된다 (일반적으로 스퍼터링에 의해). 몰리브덴 증착 후, p- 타입 CIGS 흡수층은 몇 가지 독특한 방법 중 하나에 의해 성장된다. 얇은 n 형 버퍼층이 흡수체 상단에 추가됩니다. 완충액은 일반적으로 화학 욕 침전에 의해 침착 된 황화 카드뮴 (CdS)이다. 완충층은 더 두꺼운 알루미늄 (Al) 도핑 ZnO 층으로 덮인 얇은 고유의 산화 아연 층 (i-ZnO)으로 덮여있다.i-ZnO 층은 ZnO : Al 창 층을 증착하는 동안 스퍼터링 손상으로부터 CdS 및 흡수체 층을 보호하기 위해 사용되며, 이는 일반적으로 손상 과정으로 알려진 DC 스퍼터링에 의해 증착되기 때문입니다. Al 도핑 된 ZnO는 가능한 한 적은 빛을 흡수하면서 전자를 수집하여 셀 밖으로 이동시키는 투명 전도성 산화물로 작용합니다.
광전지 응용 분야에서 관심이있는 CuInSe2 기반 물질에는 주기율표의 I, III 및 VI 그룹의 여러 원소가 포함됩니다. 이 반도체는 높은 광 흡수 계수와 다용도의 광학 및 전기적 특성으로 인해 태양 응용 분야에서 특히 매력적입니다.이 특성은 원칙적으로 주어진 장치에서 특정 요구에 맞게 조정 및 조정할 수 있습니다.
변환 효율
CIGS는 주로 다결정 박막 형태로 사용됩니다. 2014 년 9 월 현재의 최고 효율은 21.7 %입니다. 국립 신 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory) 팀은 CIGS 표면을 수정하고 CIS처럼 보이게함으로써 당시 19.9 %의 기록을 달성했습니다. 이 예는 유리에 쌓여있어 제품이 기계적으로 유연하지 못합니다. 2013 년에 스위스 연방 물질 과학 기술 연구소 (Federal Laboratories for Material Science and Technology)의 과학자들은 20.4 %의 새로운 기록 효율을 지닌 유연한 고분자 호일에 CIGS 셀을 개발했습니다. 이 제품은 최고의 효율성과 최고의 유연성을 제공합니다.
미국 국립 신 재생 에너지 연구소 (NUS)는 일부 생산 모듈에서 13.8 %의 대 면적 (평방 미터) 생산 패널의 모듈 효율과 13 %의 총 면적 (및 14.2 %의 개구 면적) 효율성을 확인했습니다. 2012 년 9 월 독일 Manz AG는 총 모듈 표면에서 14.6 %의 효율과 양산 시설에서 생산 된 개구부에서 15.9 %의 효율을 가진 CIGS 태양 전지 모듈을 발표했습니다. MiaSolé는 1m2 생산 모듈에서 인증 된 15.7 %의 개구 면적 효율을 얻었으며 Solar Frontier는 900cm2 모듈에서 17.8 %의 효율을 요구했습니다.
광학을 사용하여 입사광을 집중시킴으로써 더 높은 효율 (약 30 %)을 얻을 수 있습니다. 갈륨의 사용은 순수한 CIS와 비교하여 CIGS 층의 광 밴드 갭을 증가시켜 개방 회로 전압을 증가시킨다. 인듐에 비해 갈륨의 상대적 존재 량은 비용을 낮 춥니 다.
기판 별 실험실 기록 CIGS 효율
| 기판 | 유리 | 강철 | 알류미늄 | 중합체 |
|---|---|---|---|---|
| 능률 | 22.9 % | 17.7 % | 16.2 % | 20.4 % |
| 학회 | 솔라 프론티어(b) | 엠파 | 엠파 | 엠파 |
| 출처 : Swissolar, Flisom – 프레젠테이션 : 2014 년 11 월 주 : (a) ~ 0.5 cm 2의 실험실 세포, (b) | ||||
비교
기존의 결정질 실리콘
호모 접합 (homojunction)을 기반으로하는 기존의 결정 실리콘 셀과 달리 CIGS 셀의 구조는보다 복잡한 헤테로 접합 시스템이다. 직접적인 밴드 갭 재료 인 CIGS는 매우 강한 광 흡수율을 가지고 있으며 1-2 마이크로 미터 (micrometer)의 층만이 대부분의 햇빛을 흡수하기에 충분합니다. 비교해 보면 결정질 실리콘의 경우 약 160-190 μm의 훨씬 더 큰 두께가 필요합니다.
액티브 CIGS 층은 유리 시트, 스틸 밴드 및 폴리이 미드로 제조 된 플라스틱 호일과 같은 여러 가지 다양한 기질에 코팅 된 몰리브덴 (Mo) 위에 다결정 형태로 직접 증착 할 수 있습니다. 이것은 전기로에서 다량의 석영 모래를 제련하고 기존의 실리콘 셀에 필요한 큰 결정을 성장시키는 것보다 적은 에너지를 사용하여 에너지 회수 시간을 크게 줄입니다. 또한 결정질 실리콘과 달리 이들 기판은 유연 할 수 있습니다.
경쟁이 치열한 PV 업계에서는 CIGS 제조업체의 압력이 높아져 최근 수년간 기존 실리콘 셀의 가격이 급속히 하락하면서 여러 회사가 파산했습니다. 그러나 CIGS 태양 전지는 태양 전지의 가장 일반적인 유형 인 다결정 실리콘 셀만큼 효율적입니다. CIGS와 CdTe-PV는 세계적으로 빠르게 성장하는 PV 시장에서 상업적으로 성공한 유일한 두 가지 박막 기술입니다.
기타 박막
광전지에서 “얇은 것”은 일반적으로 수백 마이크로 미터 두께의 벌크 웨이퍼로 제조 된 소위 “1 세대”고효율 실리콘 셀과 관련됩니다. 박막은 집광 효율성을 희생하지만 재료 사용은 적습니다. CIGS에서 효율성의 상충 관계는 실리콘보다 덜 심각합니다. 박막 CIGS 셀의 기록 효율은 실험실 규모의 최고 성능 셀의 CIGS보다 약간 낮습니다. 2008 년 CdS 효율은 CdTe (cadmium telluride photovoltaics) 나 a-Si (amorphous silicon)와 같은 다른 박막 기술에 비해 훨씬 높았습니다. CIS 및 CGS 태양 전지는 각각 15.0 % 및 9.5 %의 면적 효율을 제공합니다. 2015 년에는 다른 박막 기술과의 격차가 없어 실험실에서 CdTe (FirstSolar) 21.5 % 및 CIGS (ZSW) 21.7 %의 기록 셀 효율을 기록했습니다. (또한 NREL 최고의 연구 셀 효율 차트를 참조하십시오.)
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태양 전지의 모든 고성능 CIGS 흡수체는 생산 기술과 무관 한 유사성을 가지고 있습니다. 첫째, 그들은 다결정 α 상으로 그림 3에서 보여지는 칼 코피라이트 결정 구조를 갖는다. 두 번째 특성은 전반적인 Cu 결핍이다. Cu 결핍은 (전자 수용성) Cu 공극의 수를 증가시킴으로써 다수 캐리어 (홀) 농도를 증가시킨다. CIGS 막이 풍부한 (Cu가 결핍 된) 경우, 막의 표면층은 Cu (In, Ga) 3Se5의 화학량 론을 갖는 규칙적인 결함 화합물 (ODC)을 형성한다. ODC는 n 형이며, α 위상과 ODC 사이의 인터페이스에서 필름에 pn 호모 접합을 형성합니다. 호모 접합의 존재에 의해 CIGS / CdS 계면에서의 재조합 속도가 감소한다. ODC 형성에 기인하는 계면 재결합의 저하는 Cu 벌크 막에서 CIGS / CdS 계면에서의 주된 손실 인 반면, 막의 벌크에서의 재조합이 Cu 결핍 막에서의 주요 손실 메카니즘임을 보여주는 실험에 의해 입증된다.
최적의 성능을 위해서는 나트륨 혼입이 필요합니다. 이상적인 Na 농도는 약 0.1 %로 간주됩니다. Na는 일반적으로 소다 석회 유리 기판에 의해 공급되지만,이 기판을 사용하지 않는 공정에서는 Na를 의도적으로 첨가해야합니다. Na의 유익한 효과에는 p 형 전도성, 조직 및 평균 입자 크기가 증가합니다.또한, Na 혼입은보다 큰 화학량 론적 편차에 대해 성능을 유지할 수있게한다. 시뮬레이션에 따르면 In 사이트의 Na는 얕은 acceptor 레벨을 만들고 Na는 Cu 결함 (기증자)을 제거하는 역할을하지만 이러한 이점에 대한 이유는 논란의 여지가 있습니다. Na는 또한 산소 흡수를 촉매하는 것으로 여겨진다. 산소는 보상 기증자 및 재조합 센터 역할을하는 Se 공 간을 보호합니다.
CIS (CuInSe2)와 CGS (CuGaSe2)를 합금하면 밴드 갭이 증가한다. 단일 접합 태양 전지에 대한 이상적인 밴드 갭을 얻기 위해, 1.5eV, 약 0.7의 Ga / (In + Ga) 비가 최적이다. 그러나 ~ 0.3 이상의 비율에서는 장치 성능이 떨어집니다. 업계에서는 현재 0.3 Ga / (In + Ga) 비율을 목표로하여 1.1에서 1.2 eV 사이의 밴드 갭이 발생합니다. 감소하는 성능은 CGS가 ODC를 형성하지 않은 결과로 가정되었으며, 이는 CdS와의 양호한 인터페이스에 필수적이다.
가장 효율이 높은 장치는 실질적인 텍스처링 또는 바람직한 결정 학적 방향을 보여줍니다. 최고 품질의 장치에서는 (204) 표면 방향이 관찰됩니다. 부드러운 흡수체 표면은 조명 영역과 인터페이스 영역의 비율을 최대화하는 것이 바람직합니다. 조명 영역이 일정하게 유지되는 동안 인터페이스의 면적은 거칠기와 함께 증가하여 개방 회로 전압 (VOC)을 감소시킵니다. 연구에 따르면 결함 밀도의 증가와 VOC 감소가 연결되었습니다. CIGS의 재조합 (recombination)은 비 복사 과정 (non-radiative process)에 의해 지배 될 것으로 제안되었다. 이론적으로, 재조합은 필름을 조작함으로써 제어 될 수 있으며, 재료에 대한 외적이다.
생산
영화 제작
가장 일반적인 진공 기반 공정은 상온에서 구리, 갈륨 및 인듐을 기판에 동시 증발 또는 동시 스퍼터링 한 다음 결과물 인 필름을 셀레 나이드 증기로 어닐링하는 것입니다. 다른 방법은 구리, 갈륨, 인듐 및 셀레늄을 가열 된 기판 상에 동시 – 증발시키는 것이다.
비 진공에 기초한 대체 공정은 전구체 물질의 나노 입자를 기판 상에 증착 한 다음, 그 위치에서 이들을 소결시킨다. 전기 도금은 CIGS 층을 적용하는 또 다른 저렴한 대안입니다.
다음 절에서는 저온에서 금속층의 스퍼터링, 나노 입자를 함유 한 잉크의 인쇄, 전착 및 웨이퍼 본딩에서 영감을 얻은 기술을 포함한 전구체 증착 처리를위한 다양한 기술에 대해 설명합니다.
셀렌 화
Se 공급 및 셀렌 화 환경은 필름의 특성 및 품질을 결정하는 데 중요합니다. Se가 고온에서 기상 (예 : H2Se 또는 Se 원소)으로 공급되면 Se는 흡수 및 후속 확산에 의해 필름으로 통합됩니다. 칼 코겐화 (chalcogenization)라고 불리는이 단계 동안 복잡한 상호 작용이 일어나 칼 코겐화물을 형성합니다. 이러한 상호 작용에는 Cu-In-Ga 금속 간 합금의 형성, 중간 금속 – 셀레 나이드 이원 화합물의 형성 및 다양한 화학 양 론적 CIGS 화합물의 상 분리가 포함된다. 반응의 다양성과 복잡성으로 인해 CIGS 필름의 특성을 제어하기가 어렵습니다.
Se 소스는 최종 필름 특성에 영향을 미칩니다. H2Se는 흡수체에 Se를 가장 빨리 결합시킵니다. 50 at % Se는 CIGS 필름에서 400 ° C의 낮은 온도에서 얻을 수 있습니다. 이에 반해, 원소 Se는 500 ° C 이상의 반응 온도에서 완전한 결합만을 달성합니다. Se 원소보다 낮은 온도에서 형성된 박막은 Se가 부족하지만 금속 셀레 나이드 및 다양한 합금을 포함하는 다중 상을 갖는다. H2Se를 사용하면 가장 균일 한 조성과 가장 큰 입자 크기를 얻을 수 있습니다. 그러나 H2Se는 매우 독성이 강하며 환경 적 위험으로 분류됩니다.
금속층의 스퍼터링에 이어 셀렌 화
이 방법에서, Cu, In 및 Ga의 금속 막은 상온 또는 그 부근에서 스퍼터링되고 고온에서 Se 분위기에서 반응한다. 이 공정은 공동 증착보다 높은 처리량을 가지며 조성 균일 성을보다 쉽게 달성 할 수 있습니다.
Cu / In / Ga / Cu / In / Ga … 구조와 같은 금속의 적층 다층을 스퍼터링하면 단순한 이중층 (Cu-Ga 합금 / In)에 비해 흡수체에서보다 부드러운 표면과 더 나은 결정 성이 생성됩니다. 3 층 (Cu / In / Ga) 스퍼터링 이러한 속성들은 더 높은 효율의 장치를 가져 오지만, 다층을 형성하는 것은 더 복잡한 증착 공정이며 추가 장비 또는 추가 된 공정 복잡성을 만족시키지 못합니다. 또한, Se와 Cu / Ga 및 Cu / In 층의 반응 속도가 다르다. 반응 온도가 충분히 높지 않거나 충분히 오래 유지되지 않으면 CIS와 CGS가 분리 된 상으로 형성됩니다.
유사한 프로세스를 사용하는 회사는 현재 Showa Shell, Avancis (현재 Saint-Gobain Group의 계열사), Miasolé, Honda Soltec 및 Energy Photovoltaics (EPV)를 포함합니다. 쇼와 셸은 Cu-Ga 합금 층과 In 층을 스퍼터링 한 다음 H2Se에서 셀렌 화하고 H2S에서 황화시켰다. 황화 단계는 대부분의 다른 셀에서 CdS와 유사한 방식으로 표면을 부동화하는 것으로 나타납니다. 따라서 사용 된 완충층은 Cd가 없으므로 Cd의 환경 영향을 제거합니다. 쇼와 셸 (Showa Shell)은 최대 모듈 효율을 13.6 %로보고했으며 3600cm2의 기판에 대해 평균 11.3 %의 효율을 보였다. Shell Solar는 쇼와 쉘과 동일한 기술을 사용하여 흡수 장치를 만듭니다. 그러나, 그들의 CdS 층은 화학 기상 증착으로부터 유래한다. Shell Solar에서 판매하는 모듈은 모듈 효율성이 9.4 %라고합니다.
Miasole은 프로세스와 규모면에서 벤처 캐피탈 펀드를 조달했습니다. 그러나 모듈에 대해 9 ~ 10 %의 명시된 효율을 넘는 프로세스는 거의 알려져 있지 않습니다.
EPV는 Se 및 Ga가 Se 분위기에서 증발되는 공동 증착 및 스퍼터링 사이의 하이브리드를 사용한다.그 다음 Cu 스퍼터링 및 셀렌 화가 뒤 따른다. 마지막으로, In 및 Ga는 Se의 존재 하에서 다시 증발된다. 홀 측정에 기초하여, 이들 필름은 낮은 캐리어 농도 및 비교적 높은 이동성을 갖는다. EPV 필름은 결함 농도가 낮습니다.
미립자 전구체 층의 칼 코겐 화
이 방법에서 금속 또는 금속 산화물 나노 입자는 CIGS 성장을위한 전구체로 사용됩니다. 이러한 나노 입자는 일반적으로 수용액에 현탁되고 인쇄와 같은 다양한 방법으로 넓은 영역에 적용됩니다. 필름은 탈수되고, 전구체가 금속 산화물 인 경우, H2 / N2 분위기에서 환원된다. 탈수 후, 남아있는 다공성 필름은 400 ℃ 이상의 온도에서 소결되고 셀렌 화된다.
나노 솔라 (Nanosolar)와 국제 태양 에너지 기술 (International Solar Electric Technology, ISET)은 성공적으로이 프로세스를 확장하려고 시도하지 못했습니다. ISET는 산화물 입자를 사용하는 반면, Nanosolar는 잉크를 논의하지 않았습니다. 이 공정의 장점은 넓은 영역의 균일 성, 비 진공 또는 저 진공 장비 및 롤 투롤 (roll-to-roll) 제조에 대한 적응성을 포함합니다. 층상 금속 전구체 층과 비교할 때, 소결 된 나노 입자는 더 빠르게 반응한다. 증가 된 속도는 다공성과 관련된 더 큰 표면적의 결과이다.다공성은 더 거친 흡수체 표면을 생성합니다. 미립자 프리 커서를 사용하면 90 % 이상의 재료 이용률로 다양한 종류의 인쇄물을 인쇄 할 수 있습니다. 거의 연구 및 개발이 기술을 지원하지 않습니다.
Nanosolar는 14 %의 셀 (모듈 아님) 효율성을보고했지만, 이는 국가의 실험실 테스트에서 검증되지 않았으며 현장 검사도 허용하지 않았습니다. 독립적 인 테스트에서 ISET의 흡수 장치는 8.6 %로 2 번째로 낮은 효율을 보였습니다. 그러나 ISET의 모듈을 능가하는 모든 모듈은 공 증착 (covaporated)되어 제조상의 단점과 비용이 많이 드는 프로세스입니다. ISET의 샘플은 VOC가 낮고 fill factor가 낮아 재결합을 돕는 거친 표면 및 / 또는 높은 결함을 나타냈다. 이러한 문제와 관련하여, 필름은 낮은 홀 이동도 및 짧은 캐리어 수명을 포함하여 열등한 운송 특성을 나타냈다.
전착과 셀린 화
전구체는 전착에 의해 증착 될 수있다. 두 가지 방법론이 존재합니다 : 원소 층 구조의 증착 및 모든 원소 (Se 포함)의 동시 증착. 두 가지 방법 모두 장치 품질의 필름을 만들기 위해 Se 분위기에서 열처리가 필요합니다. 전착에는 전도성 전극이 필요하므로 금속박은 논리적 인 기판입니다. 원소 층의 전착은 원소 층의 스퍼터링과 유사합니다.
동시 증착은 작용 전극 (캐소드), 카운터 전극 (애노드) 및 기준 전극을 사용한다. 금속 호일 기판은 산업 공정에서 작용 전극으로 사용됩니다. 불활성 물질은 상대 전극을 제공하고, 기준 전극은 전위를 측정하고 제어한다. 기준 전극은 프로세스를 잠재적으로 수행 할 수있게하여 기판의 전위를 제어 할 수있게합니다.
동시 전착은 원소의 표준 환원 전위가 동일하지 않아 단일 원소가 우선적으로 증착된다는 사실을 극복해야한다. 이 문제는 일반적으로 각각의 이온 (Cu2 +, Se4 +, In3 + 및 Ga3 +)이 용액에 대항하는 이온을 추가함으로써 완화되어 이온의 환원 전위를 변화시킨다. 또한, Cu-Se 계는 복잡한 거동을 가지며, 막의 조성은 막 표면에 따라 변할 수있는 Se4 + / Cu2 + 이온 플럭스 비에 의존한다. 이것은 전구체 농도 및 증착 전위가 최적화 될 것을 요구한다. 최적화를하더라도, 기판상의 조성 변동 및 잠재적 인 낙하로 인해 넓은 영역에서 재현성이 낮습니다.
생성 된 필름은 작은 입자를 가지며, Cu가 풍부하고 일반적으로 용액으로부터의 불순물과 함께 Cu2-xSex 상을 함유한다. 결정화도를 높이려면 어닐링이 필요합니다. 7 %보다 높은 효율의 경우 화학량 론 보정이 필요합니다. 보정은 원래 고온 물리적 기상 증착을 통해 이루어졌으며, 이는 산업 분야에서 실용적이지 않습니다.
Solopower는 현재 NREL 당 13.7 % 이상의 변환 효율을 갖는 셀을 생산하고있다.
영감을 얻은 웨이퍼 결합 기술의 전구체 조합
이 공정에서, 2 개의 상이한 전구체 막이 기판 및 수퍼 스트레이트 상에 개별적으로 증착된다. 필름을 함께 압축하고 가열하여 재사용 가능한 수퍼 스트레이트에서 필름을 방출하여 CIGS 흡수체를 기재 상에 남긴다. Heliovolt는이 절차에 대한 특허를 취득하고이를 FASST 프로세스라고 명명했습니다. 원칙적으로, 전구체는 저가의 증착 기술을 사용하여 저온에서 증착 될 수 있으므로 모듈 비용이 낮아진다. 그러나 1 세대 제품은 고온 PVD 방법을 사용하고 전체 비용 절감 잠재력을 달성하지 못합니다. 유연한 기판은 결국이 공정에서 사용될 수 있습니다.
독립적 인 연구 기관에서 수행 한 연구가 없기 때문에 일반적인 필름 특성은 회사 외부에서 알 수 없습니다. 그러나 Heliovolt는 최고 셀 효율성이 12.2 %라고 주장했습니다.
동시 증발
Coevaporation, 또는 공동 형성 (coepaporation)은 가장 보편적 인 CIGS 제조 기술입니다. Boeing의 공동 증발 공정은 가열 된 기판 위에 서로 다른 화학 양론을 갖는 CIGS의 이중 막을 증착하고 이들이 혼합되도록합니다.
NREL은 세 단계의 증착 단계를 거쳐 현재의 CIGS 효율 기록 보유자를 20.3 % 생산하는 또 다른 프로세스를 개발했습니다. NREL의 첫 번째 단계는 In, Ga 및 Se의 공 증착이다. 그 다음 Cu와 Se가 더 높은 온도에서 증착되어 원소의 확산과 혼합을 허용한다. 최종 단계에서, In, Ga 및 Se가 다시 증착되어 전체 조성물 Cu가 불량해진다.
Würth Solar는 2005 년에 인라인 공동 증발 시스템을 사용하여 CIGS 셀을 생산하기 시작했으며, 모듈 효율성은 11 %에서 12 % 사이입니다. 그들은 또 다른 생산 시설을 개업하여 효율성과 수율을 지속적으로 개선했습니다. 다른 회사들도 글로벌 태양 광 (Global Solar)과 상승 태양 광 (Ascent Solar)을 포함합니다. Global Solar는 인라인 3 단계 증착 공정을 사용했습니다. 모든 단계에서 Se는 증기 상 과량으로 공급된다. In과 Ga가 먼저 증발되고이어서 Cu가 증착 된 다음 In과 Ga가 증착되어 Cu 박막이 불완전하게된다. 이 필름은 NREL 및 에너지 변환 연구소 (IEC)에서 제작 된 흡수체 및 다른 제조업체와 관련하여 매우 유리하게 수행되었습니다. 그러나 Global Solar의 영화 모듈도 제대로 작동하지 않았습니다. 모듈이 가장 잘 수행되지 않은 특성은 낮은 결함 밀도와 높은 재결합 속도의 특징 인 낮은 VOC입니다. Global Solar의 흡수체 레이어는 캐리어 수명 및 홀 이동성에서 NREL 흡수체보다 우수한 성능을 보였습니다. 그러나, 완성 된 세포로서 NREL 샘플이 더 잘 수행되었다. 이는 Global Solar 필름에 ODC 표면층이 없기 때문에 CIGS / CdS 계면이 불량하다는 증거입니다.
단점은 큰 영역에 걸친 균일 성 문제와 인라인 시스템에서 요소를 동시 증발시키는 것과 관련된 어려움을 포함한다는 것입니다. 또한, 높은 성장 온도는 열 예산 및 비용을 증가시킵니다. 또한, 낮은 증착율 (특히 셀레늄의 경우 챔버 벽면에 증착) 및 고가의 진공 장비로 인해 공동 증착이 어려워집니다. Se 활용을 향상시키는 방법은 열 또는 플라즈마로 강화 된 셀레늄 분해 공정을 통해 이루어지며, 이는 이온 빔 보조 증착을위한 이온 빔 소스와 결합 될 수있다.
화학 기상 증착
화학 기상 증착 (CVD)은 CIGS 증착을위한 여러 가지 방법으로 구현되었습니다. 프로세스는 대기압 금속 유기 CVD (AP-MOCVD), 플라즈마 강화 CVD (PECVD), 저압 MOCVD (LP-MOCVD) 및 에어로졸 보조 MOCVD (AA-MOCVD)를 포함한다. 연구는 이중 소스 전구체에서 단일 소스 전구체로 전환하려고 시도하고 있습니다. 다중 소스 전구체는 균일하게 혼합되어야하며 전구체의 유속은 적절한 화학 양론으로 유지되어야한다. 단일 소스 전구체 방법은 이러한 단점을 겪지 않으며 필름 구성을보다 잘 제어 할 수 있어야합니다.
2014 년 현재 CVD는 상용 CIGS 합성에 사용되지 않았습니다. CVD로 제조 된 필름은 낮은 효율과 낮은 VOC를 가지며 부분적으로 높은 결함 농도의 결과입니다. 또한, 필름 표면은 일반적으로 VOC를 더 감소시키는 역할을합니다. 그러나 필요한 Cu 결핍은 (112) 결정 방향과 함께 AA-MOCVD를 사용하여 달성되었다.
CVD 증착 온도는 금속 전구체의 동시 증발 및 셀렌 화와 같은 다른 공정에 사용되는 온도보다 낮다.따라서 CVD는 열 예산이 적고 비용이 낮습니다. 잠재적 인 제조상의 문제로는 CVD를 인라인 공정으로 전환하는 어려움과 휘발성 전구 물질 처리 비용이 포함됩니다.
전기 분무 증착
CIS 필름은 전기 분사 증착에 의해 생산 될 수 있습니다. 이 기술은 기판 위에 직접 CIS 나노 입자가 포함 된 잉크를 전기장으로 분사 한 다음 불활성 환경에서 소성하는 것을 포함합니다. 이 기술의 주된 장점은 공정이 실온에서 이루어지며이 프로세스를 롤 투롤 (roll-to-roll) 생산 메커니즘과 같은 일부 연속 또는 대량 생산 시스템에 부착 할 수 있다는 것입니다.