कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड सौर सेल

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एक लचीले पॉलीमाइड पर सीआईजीएस सेल। अन्य आर्किटेक्चर कठोर सीआईजीएस पैनल का उपयोग करते हैं जो कांच के दो पैन के बीच सैंडविच होते हैं।

कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड सोलर सेल (या सीआईजीएस सेल, कभी-कभी सीआई(जी)एस या सीआईएस सेल) पतली-फिल्म सौर सेल है जिसका उपयोग सूर्य के प्रकाश को विद्युत शक्ति में बदलने के लिए किया जाता है। यह ग्लास या प्लास्टिक बैकिंग पर कॉपर इंडियम गैलियम सेलेनाइड घोल की पतली परत जमा करके निर्मित किया जाता है, साथ ही करंट को इकट्ठा करने के लिए आगे और पीछे इलेक्ट्रोड के साथ निर्मित किया जाता है। क्योंकि सामग्री में उच्च अवशोषण गुणांक होता है और सूर्य के प्रकाश को दृढ़ता से अवशोषित करता है, अन्य अर्धचालक पदार्थों की तुलना में बहुत पतली फिल्म की आवश्यकता होती है।

सीआईजीएस तीन मुख्यधारा की पतली-फिल्म फोटोवोल्टिक (पीवी) प्रौद्योगिकियों में से एक है, अन्य दो कैडमियम टेल्यूराइड फोटोवोल्टिक्स और असफ़ल सिलिकॉन हैं। इन सामग्रियों की तरह, सीआईजीएस परतें लचीली होने के लिए पर्याप्त पतली होती हैं, जिससे उन्हें लचीले सबस्ट्रेट्स पर जमा किया जा सकता है। चूँकि, चूंकि ये सभी प्रौद्योगिकियाँ सामान्य रूप से उच्च-तापमान निक्षेपण तकनीकों का उपयोग करती हैं, सबसे अच्छा प्रदर्शन सामान्य रूप से कांच पर जमा सेलों से आता है, भले ही सीआईजीएस सेलों के कम-तापमान जमाव में प्रगति ने इस प्रदर्शन अंतर को मिटा दिया है। सीआईजीएस सेल स्तर पर पॉलीसिलिकॉन से उत्तम प्रदर्शन करता है, चूँकि कम परिपक्व अपस्केलिंग के कारण इसकी मॉड्यूल दक्षता अभी भी कम है।[1]

थिन-फिल्म बाजार हिस्सेदारी लगभग 15 प्रतिशत पर स्थिर है, शेष पीवी बाजार को क्रिस्टलीय सिलिकॉन से बने पारंपरिक सौर सेलों में छोड़ दिया गया है। 2013 में अकेले सीआईजीएस की बाजार हिस्सेदारी लगभग 2 प्रतिशत थी और सभी थिन-फिल्म प्रौद्योगिकियां संयुक्त रूप से 10 प्रतिशत से नीचे गिर गईं।[2] सीआईजीएस सेलों का विकास जारी है, क्योंकि वे अपनी कम व्यय को बनाए रखते हुए सिलिकॉन जैसी दक्षताओं तक पहुंचने का वादा करते हैं, जैसा कि पतली फिल्म प्रौद्योगिकी के लिए विशिष्ट है।[3] सीआईजीएस कंपनियों की प्रमुख सूची में अब दिवालिया कंपनियां नैनोसोलर और सोलेंद्र थीं। वर्तमान मार्केट लीडर जापानी कंपनी सोलर फ्रंटियर है, जिसके साथ वैश्विक सौर और जीएसएचके सोलर भी कैडमियम और/या लेड जैसी किसी भी भारी धातु से मुक्त सौर मॉड्यूल का उत्पादन कर रहे हैं।[4] कई सीआईजीएस सोलर पैनल निर्माता कंपनियां दिवालिया हो चुकी हैं।[5]

गुण

सीआईजीएस क्षार धातु-समूह 3 तत्व-समूह 6 तत्व है2 ताँबा , ईण्डीयुम , गैलियम और सेलेनियम से बना यौगिक अर्धचालक सामग्री। सामग्री कॉपर इंडियम सेलेनाइड (अधिकांशतः संक्षिप्त सीआईएस) और कॉपर गैलियम सेलेनाइड का ठोस समाधान है, जिसका रासायनिक सूत्र CuInxGa(1-x)Se2 है, जहां x का मान 1 (शुद्ध कॉपर इंडियम सेलेनाइड) से 0 (शुद्ध कॉपर गैलियम सेलेनाइड) तक भिन्न हो सकता है। यह च्लोकोपीराइट क्रिस्टल संरचना के साथ चतुष्फलकीय रासायनिक बंध अर्धचालक है। ऊर्जा अंतराल लगभग 1.0 eV (कॉपर इंडियम सेलेनाइड के लिए) से लगभग 1.7 eV (कॉपर गैलियम सेलेनाइड के लिए) x के साथ लगातार बदलता रहता है।[6]

चित्र 1: सीआईजीएस उपकरण की संरचना। [[कैडमियम सल्फाइड

वैकल्पिक रूप से प्रयोग किया जाता है और कुछ सीआईजीएस सेलों में कोई कैडमियम नहीं होता है।[7] सीआईजीएस में 105/cm 1.5 eV से अधिक का असाधारण उच्च अवशोषण गुणांक है और उच्च ऊर्जा फोटॉन के लिए।[8] राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला (एनआरईएल), सामग्री विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए स्विस संघीय प्रयोगशालाओं (एम्पा), और जर्मन ज़ेंट्रम फर सोनेनेनेर्जी अंड वासेरस्टॉफ फोर्सचुंग (जेडएसडब्लू) द्वारा लगभग 20% दक्षता वाले सीआईजीएस सौर सेलों को प्रमाणित किया गया है (अनुवादित: केंद्र सौर ऊर्जा और हाइड्रोजन अनुसंधान के लिए), जो किसी भी पतली फिल्म सौर सेल के लिए आज तक का रिकॉर्ड है।[9][10]

सौर सेलों में सभी उच्च प्रदर्शन सीआईजीएस अवशोषक में उत्पादन तकनीक से स्वतंत्र समानताएं होती हैं। सबसे पहले, वे पॉलीक्रिस्टलाइन α-चरण हैं, जिसमें चित्र 3 में दिखाया गया च्लोकोपीराइट क्रिस्टल संरचना है। दूसरी संपत्ति समग्र तांबे की कमी है।[11] Cu की कमी (इलेक्ट्रॉन-स्वीकार करने वाली) Cu रिक्तियों की संख्या में वृद्धि करके बहुसंख्यक वाहक (छेद) की सांद्रता को बढ़ाती है। जब सीआईजीएस फिल्में समृद्ध (Cu कमी) में होती हैं, तो फिल्म की सतह परत स्तुईचिओमेटरी के साथ ऑर्डरेड डिफेक्ट कंपाउंड (ओडीसी) बनाती है Cu(In,Ga)
3Se
5. ओडीसी एन-टाइप है, जो α चरण और ओडीसी के बीच इंटरफेस में फिल्म में पीएन होमोजंक्शन बनाता है। सीआईजीएस/CdS इंटरफ़ेस पर कैरियर जनरेशन और पुनर्संयोजन होमोजंक्शन की उपस्थिति से कम हो जाता है। ओडीसी गठन के कारण इंटरफ़ेस पुनर्संयोजन में गिरावट प्रयोगों द्वारा प्रदर्शित की गई है, जिसमें दिखाया गया है कि Cu की कमी वाली फिल्मों में फिल्म के थोक में पुनर्संयोजन मुख्य हानि तंत्र है, जबकि Cu समृद्ध फिल्मों में मुख्य हानि सीआईजीएस / CdS इंटरफ़ेस पर होता है।[11][12]

चित्रा 3: सीआईजीएस यूनिट सेल। लाल = Cu, पीला = Se, नीला = In/Ga

इष्टतम प्रदर्शन के लिए सोडियम निगमन आवश्यक है। आदर्श Na सांद्रता लगभग 0.1% मानी जाती है। Na की आपूर्ति सामान्यतः सोडा लाइम गिलास सब्सट्रेट द्वारा की जाती है, लेकिन ऐसी प्रक्रियाओं में जो इस सब्सट्रेट का उपयोग नहीं करते हैं, Na को जानबूझकर जोड़ा जाना चाहिए। ना के लाभकारी प्रभावों में पी-टाइप विद्युत चालकता, बनावट (क्रिस्टलीय), और औसत अनाज आकार में वृद्धि सम्मिलित है। इसके अतिरिक्त, ना निगमन प्रदर्शन को बड़े रससमीकरणमितीय विचलन पर बनाए रखने की अनुमति देता है।[8]सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की है कि साइट पर Na उथले स्वीकर्ता स्तर बनाता है और Na Cu दोषों (दाताओं) को हटाने के लिए कार्य करता है, लेकिन इन लाभों के कारण विवादास्पद हैं। Na को ऑक्सीजन अवशोषण को उत्प्रेरित करने का श्रेय भी दिया जाता है। ऑक्सीजन एसई रिक्तियों को निष्क्रिय करता है जो क्षतिपूर्ति दाताओं और पुनर्संयोजन केंद्रों के रूप में कार्य करता है।

मिश्र धातु सीआईएस (CuInSe2) सीजीएस के साथ (CuGaSe2) बैंडगैप को बढ़ाता है। एकल जंक्शन सौर सेल के लिए आदर्श बैंडगैप तक पहुंचने के लिए, 1.5 eV, मोटे तौर पर 0.7 का Ga/(In+Ga) अनुपात इष्टतम है। चूँकि, ~0.3 से ऊपर के अनुपात में, उपकरण का प्रदर्शन गिर जाता है। उद्योग वर्तमान में 0.3 Ga/(In+Ga) अनुपात को लक्षित करता है, जिसके परिणामस्वरूप 1.1 और 1.2 eV के बीच बैंडगैप है। घटते प्रदर्शन को सीजीएस के ओडीसी नहीं बनाने का परिणाम माना गया है, जो सीडीएस के साथ अच्छे इंटरफेस के लिए आवश्यक है।[11]

उच्चतम दक्षता वाले उपकरण पर्याप्त बनावट, या पसंदीदा क्रिस्टेलोग्राफिक ओरिएंटेशन दिखाते हैं। A (204) सरफेस ओरिएंटेशन सर्वोत्तम गुणवत्ता वाले उपकरणों में देखा गया है।[8] इंटरफ़ेस के क्षेत्र में प्रबुद्ध क्षेत्र के अनुपात को अधिकतम करने के लिए चिकनी अवशोषक सतह को प्राथमिकता दी जाती है। इंटरफ़ेस का क्षेत्र खुरदरापन के साथ बढ़ता है जबकि प्रबुद्ध क्षेत्र स्थिर रहता है, ओपन सर्किट वोल्टेज घटता है (VOC). अध्ययनों ने दोष घनत्व में वृद्धि को घटे हुए V से भी जोड़ा हैOC. सीआईजीएस में पुनर्संयोजन को गैर-विकिरणकारी प्रक्रियाओं द्वारा हावी होने का सुझाव दिया गया है। सैद्धांतिक रूप से, पुनर्संयोजन को फिल्म की इंजीनियरिंग द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, और यह सामग्री के लिए बाहरी है।[13]


संरचना

सीआईजीएस सौर सेलों के लिए सबसे सामान्य उपकरण संरचना आरेख में दिखाया गया है (चित्र 1 देखें: सीआईजीएस उपकरण की संरचना)। सोडा-लाइम ग्लास लगभग 1-3 मिलीमीटर मोटाई का सामान्यतः सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किया जाता है, क्योंकि कांच की चादर में सोडियम होता है, जो कि ओपन-सर्किट वोल्टेज में पर्याप्त वृद्धि के लिए दिखाया गया है,[14] विशेष रूप से सतह और अनाज सीमा दोष निष्क्रियता के माध्यम से।[15] चूँकि, कई कंपनियाँ हल्के और अधिक लचीले सबस्ट्रेट्स जैसे कि पॉलीमाइड या मेटल फ़ॉइल को भी देख रही हैं।[16] मोलिब्डेनम (मो) धातु की परत (सामान्यतः स्पटरिंग द्वारा) जमा की जाती है जो पिछला संपर्क के रूप में कार्य करती है और सीआईजीएस अवशोषक में वापस सबसे अधिक अवशोषित प्रकाश को दर्शाती है। मोलिब्डेनम जमाव के बाद पी-प्रकार अर्धचालक सीआईजीएस अवशोषक परत कई अनूठी विधियों में से एक द्वारा उगाई जाती है। अवशोषक के ऊपर पतली एन-टाइप सेमीकंडक्टर पर बफर परत जोड़ी जाती है। बफर सामान्यतः कैडमियम सल्फाइड (CdS) होता है जो रासायनिक स्नान जमाव के माध्यम से जमा होता है। बफर पतली, आंतरिक ज़िंक ऑक्साइड परत (i-ZnO) से ढका हुआ है जो मोटी, अल्युमीनियम (Al) डोप्ड ZnO परत द्वारा छाया हुआ है। ZnO:Al विंडो लेयर जमा करते समय i-ZnO परत का उपयोग CdS और अवशोषक परत को स्पटरिंग क्षति से बचाने के लिए किया जाता है, क्योंकि उत्तरार्द्ध सामान्यतः DC स्पटरिंग द्वारा जमा किया जाता है, जिसे हानिकारक प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है।[17] अल डोप्ड ZnO यथासंभव कम प्रकाश को अवशोषित करते हुए सेल से इलेक्ट्रॉनों को इकट्ठा करने और स्थानांतरित करने के लिए पारदर्शी संवाहक ऑक्साइड के रूप में कार्य करता है।

CuInSe2-आधारित सामग्री जो फोटोवोल्टिक अनुप्रयोगों के लिए रुचिकर हैं, में आवर्त सारणी में समूह I, III और VI के कई तत्व सम्मिलित हैं। ये अर्धचालक अपने उच्च ऑप्टिकल अवशोषण गुणांक और बहुमुखी ऑप्टिकल और विद्युत विशेषताओं के कारण सौर अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से आकर्षक हैं, जो किसी दिए गए उपकरण में विशिष्ट आवश्यकता के लिए सिद्धांत रूप में हेरफेर और ट्यून किए जा सकते हैं।[18]


रूपांतरण दक्षता

एनआरईएल द्वारा ट्रैक की गई विभिन्न तकनीकों की सौर सेल दक्षता, सीआईजीएस की प्रगति हरे रंग में

सीआईजीएस का उपयोग मुख्य रूप से पॉलीक्रिस्टलाइन पतली फिल्मों के रूप में किया जाता है। सितंबर 2014 तक प्राप्त सर्वोत्तम दक्षता 21.7% थी।[19] नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी की टीम ने 19.9% ​​हासिल किया, जो उस समय रिकॉर्ड था।[20] सीआईजीएस सतह को संशोधित करके और इसे सीआईएस जैसा दिखाना।[21] ये उदाहरण कांच पर जमा किए गए थे, जिसका अर्थ था कि उत्पाद यांत्रिक रूप से लचीले नहीं थे। 2013 में, स्विस फेडरल लेबोरेटरीज फॉर मैटेरियल्स साइंस एंड टेक्नोलॉजी के वैज्ञानिकों ने 20.4% की नई रिकॉर्ड दक्षता के साथ लचीले पॉलीमर फ़ॉइल पर सीआईजीएस सेल विकसित किए।[22] ये उच्चतम दक्षता और अधिकतम लचीलेपन दोनों को प्रदर्शित करते हैं।

यूएस नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी ने बड़े-क्षेत्र (मीटर-वर्ग) उत्पादन पैनल की 13.8% मॉड्यूल दक्षता और कुछ उत्पादन मॉड्यूल के साथ 13% कुल-क्षेत्र (और 14.2% एपर्चर-क्षेत्र) दक्षता की पुष्टि की।[21] सितंबर 2012 में जर्मन मान्ज़ ने कुल मॉड्यूल सतह पर 14.6% की दक्षता और एपर्चर पर 15.9% की दक्षता के साथ सीआईजीएस सौर मॉड्यूल प्रस्तुत किया, जो बड़े पैमाने पर उत्पादन सुविधा पर उत्पादित किया गया था।[23] मियासोल ने 1m2 पर प्रमाणित 15.7% एपर्चर-क्षेत्र दक्षता प्राप्त की उत्पादन मॉड्यूल,[24] और सोलर फ्रंटियर ने 900 सेमी2 पर 17.8% दक्षता को प्रमाणित किया।[25]

उच्च क्षमता (लगभग 30%) घटना प्रकाश को संकेंद्रित फोटोवोल्टिक के लिए प्रकाशिकी का उपयोग करके प्राप्त की जा सकती है। शुद्ध सीआईएस की तुलना में गैलियम का उपयोग सीआईजीएस परत के ऑप्टिकल बैंड गैप को बढ़ाता है, इस प्रकार ओपन-सर्किट वोल्टेज को बढ़ाता है।[21][26] गैलियम की सापेक्ष प्रचुरता, इंडियम की तुलना में, व्यय कम करती है।

प्रयोगशाला रिकॉर्ड सीआईजीएस क्षमता सब्सट्रेट द्वारा (a)
सब्सट्रेट ग्लास स्टील एल्यूमीनियम बहुलक
क्षमता 22.9% 17.7% 16.2% 20.4%
संस्था सोलर फ्रंटियर(b) एम्पा एम्पा एम्पा
Source: Swissolar, Flisom – presentation November 2014[27]
Note: (a) lab cell with ~0.5 cm2, (b) http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html


तुलना

पारंपरिक क्रिस्टलीय सिलिकॉन

समरूपता पर आधारित पारंपरिक क्रिस्टलीय सिलिकॉन सेलों के विपरीत, सीआईजीएस सेलों की संरचना अधिक जटिल विषमता प्रणाली है। सीधा बैंडगैप सामग्री, सीआईजीएस में बहुत मजबूत प्रकाश अवशोषण होता है और केवल 1-2 माइक्रोमीटर (माइक्रोन) की परत सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त होती है। तुलनात्मक रूप से, क्रिस्टलीय सिलिकॉन के लिए लगभग 160-190 माइक्रोमीटर की अधिक मोटाई की आवश्यकता होती है।

सक्रिय सीआईजीएस- परत को पॉलीक्रिस्टलाइन रूप में सीधे मोलिब्डेनम (Mo) कलई करना पर कई अलग-अलग सबस्ट्रेट्स जैसे कि ग्लास शीट, स्टील बैंड और पॉलीमाइड से बने प्लास्टिक फ़ॉइल पर जमा किया जा सकता है। यह बिजली की भट्टियों में बड़ी मात्रा में क्वार्ट्ज रेत को गलाने और पारंपरिक सिलिकॉन सेलों के लिए आवश्यक बड़े क्रिस्टल को उगाने की तुलना में कम ऊर्जा का उपयोग करता है, और इस प्रकार इसके क्रिस्टलीय सिलिकॉन # एनर्जी पेबैक समय को अत्यधिक कम कर देता है। क्रिस्टलीय सिलिकॉन के विपरीत, ये सबस्ट्रेट्स लचीला इलेक्ट्रॉनिक्स हो सकते हैं।[28]

अत्यधिक पतली फिल्म सौर सेल # उत्पादन, व्यय और बाजार में, सीआईजीएस कंपनियों की सूची पर दबाव बढ़ गया, जिससे कई कंपनियां दिवालिया हो गईं, क्योंकि हाल के वर्षों में परंपरागत सिलिकॉन सेलों की कीमतों में तीव्रता से गिरावट आई है। चूँकि, सीआईजीएस सौर सेल सौर सेल दक्षता के रूप में बन गए हैं। मल्टीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन सेलों के रूप में तुलना - सबसे सामान्य प्रकार के सौर सेल। सीआईजीएस और सीडीटीई-पीवी दुनिया भर में तीव्रता से बढ़ते पीवी बाजार फोटोवोल्टाइक्स के विकास में केवल दो व्यावसायिक रूप से सफल पतली-फिल्म प्रौद्योगिकियां हैं।

अन्य पतली फिल्में

फोटोवोल्टिक में पतलापन सामान्यतः तथाकथित पहली पीढ़ी के उच्च दक्षता वाले सिलिकॉन सेल के संदर्भ में होता है, जो सैकड़ों माइक्रोमीटर मोटी बल्क वेफर्स से निर्मित होते हैं।[29] पतली फिल्में कुछ प्रकाश एकत्र करने की दक्षता का त्याग करती हैं लेकिन कम सामग्री का उपयोग करती हैं।[30] सीआईजीएस में दक्षता व्यापार सिलिकॉन की तुलना में कम गंभीर है। पतली फिल्म सीआईजीएस सेलों के लिए रिकॉर्ड क्षमता लैब-स्केल शीर्ष प्रदर्शन सेलों के लिए सीआईजीएस की तुलना में थोड़ी कम है। 2008 में, सीआईजीएस दक्षता अन्य पतली फिल्म प्रौद्योगिकियों जैसे कैडमियम टेल्यूराइड फोटोवोल्टिक्स (CdTe) या अनाकार सिलिकॉन (a-Si) द्वारा हासिल की गई तुलना में सबसे अधिक थी।[20]सीआईएस और सीजीएस सौर सेल 15.0% और 9.5% की कुल क्षेत्र क्षमता प्रदान करते हैं,[31] respectively. In 2015, the gap with the other thin film technologies has been closed, with record cell efficiencies in laboratories of 21.5% for CdTe (FirstSolar) and 21.7% for सीआईजीएस (ZSW). (See also [[:File:Best_Research-Cell_Efficiencies.png|एनआरईएल सर्वश्रेष्ठ अनुसंधान सेल दक्षता चार्ट।[32])

उत्पादन

फिल्म निर्माण

सबसे सामान्य खालीपन -आधारित प्रक्रिया कमरे के तापमान पर सब्सट्रेट पर तांबे, गैलियम और इंडियम को सह-वाष्पीकरण या सह-स्पटर करना है, फिर परिणामी फिल्म को सेलेनाइड वाष्प के साथ एनील करना है। वैकल्पिक प्रक्रिया तांबे, गैलियम, इंडियम और सेलेनियम को गर्म सब्सट्रेट पर वाष्पित करना है।

गैर-वैक्यूम-आधारित वैकल्पिक प्रक्रिया सब्सट्रेट (सामग्री विज्ञान) पर अग्रदूत (रसायन विज्ञान) सामग्री के नैनोकणों को जमा करती है और फिर उन्हें सीटू में सिंटर्स करती है। सीआईजीएस परत को प्रयुक्त करने के लिए विद्युत एक और कम व्यय वाला विकल्प है।

निम्नलिखित खंड अग्रदूत जमाव प्रसंस्करण के लिए विभिन्न तकनीकों की रूपरेखा तैयार करते हैं, जिसमें कम तापमान पर धातु की परतों का स्पटरिंग, नैनोकणों वाली स्याही की छपाई, इलेक्ट्रोफोरेटिक बयान और वेफर-बॉन्डिंग से प्रेरित तकनीक सम्मिलित है।

सेलेनाइजेशन

फिल्म के गुणों और गुणवत्ता को निर्धारित करने में एसई आपूर्ति और सेलेनाइजेशन पर्यावरण महत्वपूर्ण है। जब एसई गैस चरण में आपूर्ति की जाती है (उदाहरण के लिए H2Se या तात्विक Se) उच्च तापमान पर, Se अवशोषण और बाद में प्रसार द्वारा फिल्म में सम्मिलित हो जाता है। इस चरण के दौरान, जिसे चाकोजेनाइज़ेशन कहा जाता है, मैंने आपके सह भाई की जाँच की बनाने के लिए जटिल अंतःक्रियाएँ होती हैं। इन इंटरैक्शन में क्यू-इन-गा इंटरमेटेलिक मिश्र धातु का गठन, मध्यवर्ती धातु-सेलेनाइड बाइनरी यौगिकों का निर्माण और विभिन्न स्टोइकियोमेट्रिक सीआईजीएस यौगिकों के चरण पृथक्करण सम्मिलित हैं। प्रतिक्रियाओं की विविधता और जटिलता के कारण, सीआईजीएस फिल्म के गुणों को नियंत्रित करना मुश्किल होता है।[8]

सी स्रोत परिणामी फिल्म गुणों को प्रभावित करता है। H2Se अवशोषक में सबसे तेज़ Se निगमन प्रदान करता है; सीआईजीएस फिल्मों में 50% एसई पर 400 डिग्री सेल्सियस जितना कम तापमान हासिल किया जा सकता है। तुलनात्मक रूप से, तात्विक Se केवल 500 डिग्री सेल्सियस से ऊपर प्रतिक्रिया तापमान के साथ पूर्ण समावेश प्राप्त करता है। मौलिक एसई से कम तापमान पर बनने वाली फिल्मों में एसई की कमी थी, लेकिन इसमें धातु सेलेनाइड्स और विभिन्न मिश्र धातुओं सहित कई चरण थे। H2 के प्रयोग से सबसे अच्छी संरचनागत एकरूपता और सबसे बड़ा अनाज आकार प्रदान करता है। चूँकि, H2Se अत्यधिक विषैला होता है और इसे पर्यावरणीय खतरे के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

धातु की परतों का स्पटरिंग जिसके बाद सेलेनाइजेशन होता है

इस विधि में Cu, In और Ga की धातु की फिल्म को कमरे के तापमान पर या उसके पास स्पटर किया जाता है और उच्च तापमान पर Se वातावरण में प्रतिक्रिया की जाती है। इस प्रक्रिया में सहवाष्पीकरण की तुलना में अधिक थ्रूपुट है और संरचनागत एकरूपता अधिक आसानी से प्राप्त की जा सकती है।

धातु की एक ढेरी बहुपरत स्पटरिंग - उदाहरण के लिए एक Cu/In/Ga/Cu/In/Ga... संरचना - एक साधारण बाइलेयर (Cu-Ga मिश्रधातु/In) या त्रिपरत (Cu/In/Ga) स्पटरिंग। इन विशेषताओं के परिणामस्वरूप उच्च दक्षता वाले उपकरण बनते हैं, लेकिन बहुपरत बनाना एक अधिक जटिल निक्षेपण प्रक्रिया है और अतिरिक्त उपकरण या अतिरिक्त प्रक्रिया जटिलता के योग्य नहीं है।[11]इसके अतिरिक्त, Se के साथ Cu/Ga और Cu/In परतों की प्रतिक्रिया दर भिन्न होती है। यदि प्रतिक्रिया तापमान पर्याप्त उच्च नहीं है, या लंबे समय तक पर्याप्त नहीं रखा गया है, तो सीआईएस और सीजीएस अलग-अलग चरणों के रूप में बनते हैं।

वर्तमान में समान प्रक्रियाओं का उपयोग करने वाली कंपनियों में शोवा शेल, सेंट-गोबेन इनोवेटिव मैटेरियल्स, मियासोल, होंडा सोलटेक और एनर्जी फोटोवोल्टिक्स (ईपीवी) सम्मिलित हैं।[33] शोवा शेल ने एक Cu-Ga मिश्र धातु परत और एक परत को फैलाया, जिसके बाद H2 में सेलेनीकरण हुआ2एच में एसई और सल्फराइजेशन। सल्फ्यूराइजेशन चरण अधिकांश अन्य सेलों में सीडीएस के समान एक तरह से सतह को निष्क्रिय करने के लिए प्रकट होता है। इस प्रकार, उपयोग की जाने वाली बफर परत सीडी मुक्त है, सीडी के किसी भी पर्यावरणीय प्रभाव को समाप्त करती है। शोवा शेल ने 3600 सेमी2 के लिए 11.3% के औसत के साथ 13.6% की अधिकतम मॉड्यूल दक्षता की सूचना दी सबस्ट्रेट्स।[16]शेल सोलर अवशोषक बनाने के लिए शोवा शेल जैसी ही तकनीक का उपयोग करता है; चूँकि, उनकी CdS परत रासायनिक वाष्प जमाव से आती है। शेल सोलर द्वारा बेचे गए मॉड्यूल 9.4% मॉड्यूल दक्षता का दावा करते हैं।

मियासोल ने अपनी प्रक्रिया और विस्तार के लिए वेंचर कैपिटल फंड प्राप्त किया था। 2019 में फ्रौनहोफर द्वारा रिकॉर्ड 17.4% एपर्चर दक्षता मॉड्यूल की पुष्टि की गई थी[34]

ईपीवी सहवाष्पीकरण और स्पटरिंग के बीच संकर का उपयोग करता है जिसमें In और Ga एक Se वातावरण में वाष्पित हो जाते हैं। इसके बाद Cu स्पटरिंग और सेलेनाइजेशन होता है। अंत में, Se की उपस्थिति में In और Ga फिर से वाष्पित हो जाते हैं। हॉल माप के आधार पर, इन फिल्मों में कम वाहक एकाग्रता और अपेक्षाकृत उच्च गतिशीलता होती है। ईपीवी फिल्मों में कम दोष सघनता होती है।

पार्टिकुलेट अग्रदूत परतों का चाकोजेनाइजेशन

इस पद्धति में, धातु या धातु-ऑक्साइड नैनोकणों का उपयोग सीआईजीएस वृद्धि के अग्रदूत के रूप में किया जाता है। इन नैनोकणों को सामान्यतः पानी आधारित समाधान में निलंबित कर दिया जाता है और फिर छपाई जैसे विभिन्न विधियों से बड़े क्षेत्रों में प्रयुक्त किया जाता है। फिल्म तब निर्जलित होती है और, यदि अग्रदूत धातु-ऑक्साइड होते हैं, तो एच में कम हो जाते हैं2/एन2 वायुमंडल। निर्जलीकरण के बाद, शेष झरझरा फिल्म को 400 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर पाप किया जाता है और सीलन किया जाता है।[11][13][35]

नैनोसोलर और अंतर्राष्ट्रीय सौर विद्युत प्रौद्योगिकी (आईएसईटी) ने इस प्रक्रिया को बढ़ाने का असफल प्रयास किया।[16]आईएसईटी ऑक्साइड कणों का उपयोग करता है, जबकि नैनोसोलर ने इसकी स्याही पर चर्चा नहीं की। इस प्रक्रिया के लाभों में बड़े क्षेत्रों में एकरूपता, गैर-वैक्यूम या कम-वैक्यूम उपकरण और रोल करने वाली रोल निर्माण के लिए अनुकूलता सम्मिलित है। लामिनार धातु अग्रदूत परतों की तुलना में, निसादित नैनोकणों को अधिक तीव्रता से सेलेनाइज किया जाता है। बढ़ी हुई दर सरंध्रता से जुड़े अधिक सतह क्षेत्र का परिणाम है। सरंध्रता खुरदरी अवशोषक सतहों का निर्माण करती है। पार्टिकुलेट प्रीकर्सर का उपयोग 90% या उससे अधिक की सामग्री के उपयोग के साथ बड़ी संख्या में सबस्ट्रेट्स पर छपाई की अनुमति देता है। छोटे शोध और विकास ने इस तकनीक का समर्थन किया।

नैनोसोलर ने 14% की सेल (मॉड्यूल नहीं) दक्षता की सूचना दी, चूँकि यह किसी भी संयुक्त राज्य ऊर्जा विभाग के राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं के परीक्षण द्वारा सत्यापित नहीं किया गया था, न ही उन्होंने ऑनसाइट निरीक्षण की अनुमति दी थी। स्वतंत्र परीक्षण में[13] आईएसईटी के अवशोषक की 8.6% पर दूसरी सबसे कम दक्षता थी। चूँकि, आईएसईटी के मॉड्यूल को मात देने वाले सभी मॉड्यूल सह-वाष्पीकृत थे, प्रक्रिया जिसमें विनिर्माण हानि और उच्च व्यय है। आईएसईटी का नमूना सबसे कम वी से पीड़ित थाOC और कम भराव कारक (सौर सेल), खुरदरी सतह का संकेत और/या पुनर्संयोजन में सहायता करने वाले दोषों की उच्च संख्या थी। इन उद्देश्यों से संबंधित, फिल्म में कम हॉल गतिशीलता और लघु वाहक जीवनकाल सहित खराब परिवहन गुण थे।

इलेक्ट्रोडपोजिशन के बाद सेलेनाइजेशन

पूर्वसंकेतक इलेक्ट्रोडपोजिशन द्वारा जमा किया जा सकता है। दो पद्धतियाँ उपलब्ध हैं: तात्विक स्तरित संरचनाओं का निक्षेपण और सभी तत्वों का साथ निक्षेपण (से सहित) उपलब्ध है। उपकरण की गुणवत्ता वाली फिल्में बनाने के लिए दोनों विधियों में सी वातावरण में थर्मल उपचार की आवश्यकता होती है। क्योंकि विद्युतीकरण के लिए प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है, धातु के झाग तार्किक सब्सट्रेट होते हैं। तात्विक परतों का विद्युतीकरण मौलिक परतों के स्पटरिंग के समान है।

युगपत निक्षेपण कार्यशील इलेक्ट्रोड (कैथोड), काउंटर इलेक्ट्रोड (एनोड), और संदर्भ इलेक्ट्रोड को नियोजित करता है जैसा कि चित्र 4 में है। धातु पन्नी सब्सट्रेट का उपयोग औद्योगिक प्रक्रियाओं में कार्यशील इलेक्ट्रोड के रूप में किया जाता है। निष्क्रिय सामग्री काउंटर इलेक्ट्रोड प्रदान करती है, और संदर्भ इलेक्ट्रोड क्षमता को मापता है और नियंत्रित करता है। संदर्भ इलेक्ट्रोड प्रक्रिया को शक्तिशाली रूप से निष्पादित करने की अनुमति देता है, जिससे सब्सट्रेट की क्षमता को नियंत्रित किया जा सकता है।[11]

चित्रा 4: सीआईजीएस इलेक्ट्रोडपोजिशन उपकरण

एक साथ इलेक्ट्रोडपोजिशन को इस तथ्य को दूर करना चाहिए कि तत्वों की मानक कमी क्षमता समान नहीं है, जिससे एकल तत्व का अधिमान्य जमाव होता है। इस समस्या को सामान्यतः जमा किए जाने वाले प्रत्येक आयन के समाधान में काउंटरिंग आयन जोड़कर कम किया जाता है (Cu2+, से4+, इन3+, और गा3+), इस प्रकार उस आयन की कमी क्षमता को बदलना। इसके अतिरिक्त, क्यू-से प्रणाली का एक जटिल व्यवहार है और फिल्म की रचना से पर निर्भर करती है4+/घन2+ आयन फ्लक्स अनुपात जो फिल्म की सतह पर भिन्न हो सकता है। इसके लिए अग्रदूत सांद्रता और जमाव क्षमता को अनुकूलित करने की आवश्यकता है। अनुकूलन के साथ भी, रचना विविधताओं और सब्सट्रेट के साथ संभावित बूंदों के कारण बड़े क्षेत्रों में पुनरुत्पादन कम है।

परिणामी फिल्मों में छोटे दाने होते हैं, क्यू-समृद्ध होते हैं, और सामान्यतः क्यू होते हैं2−xसेx समाधान से अशुद्धियों के साथ चरण। क्रिस्टलीयता में संशोधन के लिए एनीलिंग (धातु विज्ञान) की आवश्यकता होती है। 7% से अधिक क्षमता के लिए, एक स्टोइकोमेट्री संशोधन की आवश्यकता होती है। संशोधन मूल रूप से उच्च तापमान भौतिक वाष्प जमाव के माध्यम से किया गया था, जो उद्योग में व्यावहारिक नहीं है।

सोलोपावर वर्तमान में एनआरईएल के अनुसार 13.7% रूपांतरण दक्षता के साथ सेलों का उत्पादन कर रहा है।[36]


वेफर-बॉन्डिंग प्रेरित तकनीक द्वारा प्रीकर्सर संयोजन

चित्रा 5: वेफर-बॉन्डिंग प्रेरित तकनीक की योजनाबद्ध

इस प्रक्रिया में, दो अलग-अलग अग्रदूत फिल्मों को एक सब्सट्रेट और एक सुपरस्ट्रेट पर अलग-अलग जमा किया जाता है। फिल्मों को एक साथ दबाया जाता है और पुन: प्रयोज्य सुपरस्ट्रेट से फिल्म को रिलीज करने के लिए गरम किया जाता है, जिससे सब्सट्रेट (चित्रा 5) पर सीआईजीएस अवशोषक निकल जाता है। हेलियोवोल्ट ने इस प्रक्रिया का पेटेंट कराया और इसे FASST प्रक्रिया का नाम दिया। सिद्धांत रूप में, अग्रदूतों को कम व्यय वाली जमा तकनीक का उपयोग करके कम तापमान पर जमा किया जा सकता है, जिससे मॉड्यूल व्यय कम हो जाती है। चूँकि, उत्पादों की पहली पीढ़ी उच्च तापमान पीवीडी विधियों का उपयोग करती है और व्यय में कटौती की पूरी क्षमता हासिल नहीं कर पाती है। अंततः इस प्रक्रिया में लचीले सबस्ट्रेट्स का उपयोग किया जा सकता है।

विशिष्ट फिल्म विशेषताओं को कंपनी के बाहर नहीं जाना जाता है, क्योंकि स्वतंत्र रूप से वित्त पोषित प्रयोगशालाओं द्वारा कोई शोध नहीं किया गया है। चूँकि, हेलीओवोल्ट ने 12.2% की शीर्ष सेल दक्षता का दावा किया।

सहवाष्पीकरण

सहवाष्पीकरण, या कोडपोजिशन, सबसे प्रचलित सीआईजीएस निर्माण तकनीक है। बोइंग की सहवाष्पीकरण प्रक्रिया सीआईजीएस के बाइलेयर्स को विभिन्न स्टोइकियोमेट्रीज के साथ एक गर्म सब्सट्रेट पर जमा करती है और उन्हें इंटरमिक्स करने की अनुमति देती है।

एनआरईएल ने एक और प्रक्रिया विकसित की जिसमें तीन जमाव चरण सम्मिलित हैं और वर्तमान सीआईजीएस दक्षता रिकॉर्ड धारक को 20.3% पर उत्पादित किया। एनआरईएल की विधि में पहला कदम इन, गा और से का कोडपोजिशन है। इसके बाद तत्वों के प्रसार और अंतःमिश्रण की अनुमति देने के लिए Cu और Se को उच्च तापमान पर जमा किया जाता है। अंतिम चरण में, Ga, और Se को समग्र रचना Cu की कमी बनाने के लिए फिर से जमा किया जाता है।[11]

वुर्थ सोलर ने 2005 में 11% और 12% के बीच मॉड्यूल क्षमता के साथ एक इनलाइन सहवाष्पीकरण प्रणाली का उपयोग करके सीआईजीएस सेलों का उत्पादन प्रारंभ किया। उन्होंने एक और उत्पादन सुविधा खोली और दक्षता और उपज में संशोधन करना जारी रखा। सहवाष्पीकरण प्रक्रियाओं को बढ़ाने वाली अन्य कंपनियों में ग्लोबल सोलर और आरोही सौर सम्मिलित हैं।[33] ग्लोबल सोलर ने एक इनलाइन तीन चरण की निक्षेपण प्रक्रिया का उपयोग किया। सभी चरणों में वाष्प चरण में अधिक मात्रा में एसई की आपूर्ति की जाती है। फिल्म Cu की कमी बनाने के लिए In और Ga को पहले Cu और फिर In और Ga द्वारा वाष्पित किया जाता है। इन फिल्मों ने अन्य निर्माताओं और एनआरईएल और ऊर्जा रूपांतरण संस्थान (आईईसी) में उगाए जाने वाले अवशोषक के संबंध में अत्यधिक अनुकूल प्रदर्शन किया।[13] चूँकि, ग्लोबल सोलर की फिल्मों के मॉड्यूल्स ने उतना अच्छा प्रदर्शन नहीं किया। वह संपत्ति जिसमें मॉड्यूल सबसे स्पष्ट रूप से कम प्रदर्शन किया गया था, वह कम वी थाOC, जो उच्च दोष घनत्व और उच्च पुनर्संयोजन वेग की विशेषता है। वैश्विक सौर की अवशोषक परत ने वाहक जीवनकाल और हॉल गतिशीलता में एनआरईएल अवशोषक को उत्तम प्रदर्शन किया। चूँकि, पूर्ण सेलों के रूप में एनआरईएल नमूने ने उत्तम प्रदर्शन किया। यह खराब सीआईजीएस/सीडीएस इंटरफेस का प्रमाण है, संभवतः वैश्विक सौर फिल्म पर ओडीसी सतह परत की कमी के कारण।

हानि में बड़े क्षेत्रों में एकरूपता के उद्देश्य और एक इनलाइन प्रणाली में सह-वाष्पीकरण तत्वों की संबंधित कठिनाई सम्मिलित है। इसके अतिरिक्त, उच्च विकास तापमान तापीय बजट और व्यय को बढ़ाते हैं। इसके अतिरिक्त, सहवाष्पीकरण कम सामग्री उपयोग (सब्सट्रेट के अतिरिक्त कक्ष की दीवारों पर जमाव, विशेष रूप से सेलेनियम के लिए) और बहुमूल्य वैक्यूम उपकरण से ग्रस्त है।[16][35] एसई उपयोग को बढ़ाने की विधि थर्मल या प्लाज्मा-वर्धित सेलेनियम-क्रैकिंग प्रक्रिया के माध्यम से होता है,[37][38] जिसे आयन बीम असिस्टेड डिपोजिशन के लिए आयन बीम सहायक बयान जोड़ा जा सकता है।[39]


रासायनिक वाष्प जमाव

सीआईजीएस के निक्षेपण के लिए रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) को कई विधियों से प्रयुक्त किया गया है। प्रक्रियाओं में वायुमंडलीय दबाव धातु कार्बनिक सीवीडी (एपी-एमओसीवीडी), प्लाज्मा-संवर्धित सीवीडी (पीईसीवीडी), निम्न दबाव एमओसीवीडी (एलपी-एमओसीवीडी), और एयरोसोल असिस्टेड एमओसीवीडी (एए-एमओसीवीडी) सम्मिलित हैं। अनुसंधान दोहरे-स्रोत अग्रदूतों से एकल-स्रोत अग्रदूतों में स्विच करने का प्रयास कर रहा है।[11] एकाधिक स्रोत अग्रदूतों को सजातीय रूप से मिश्रित किया जाना चाहिए और अग्रदूतों की प्रवाह दर को उचित स्टोइकोमेट्री पर रखा जाना चाहिए। एकल-स्रोत अग्रदूत विधियां इन कमियों से ग्रस्त नहीं हैं और फिल्म संरचना के उत्तम नियंत्रण को सक्षम करना चाहिए।

2014 तक वाणिज्यिक सीआईजीएस संश्लेषण के लिए सीवीडी का उपयोग नहीं किया गया था। सीवीडी निर्मित फिल्मों में कम दक्षता और कम वी होता हैOCआंशिक रूप से एक उच्च दोष एकाग्रता का परिणाम है। इसके अतिरिक्त, फिल्म की सतह सामान्यतः अत्यधिक खुरदरी होती है जो वी को और कम करने का काम करती हैOC. चूँकि, (112) क्रिस्टल ओरिएंटेशन के साथ AA-MOसीवीडी का उपयोग करके अपेक्षित Cu की कमी को प्राप्त किया गया है।

सीवीडी जमाव तापमान अन्य प्रक्रियाओं जैसे सह-वाष्पीकरण और धात्विक अग्रदूतों के सेलेनाइजेशन के लिए उपयोग किए जाने वालों की तुलना में कम है। इसलिए, सीवीडी का थर्मल बजट कम होता है और व्यय कम होती है। संभावित निर्माण समस्याओं में सीवीडी को एक इनलाइन प्रक्रिया में परिवर्तित करने के साथ-साथ अस्थिर अग्रदूतों को संभालने का व्यय सम्मिलित है।

इलेक्ट्रोस्प्रे बयान

सीआईएस फिल्मों का निर्माण इलेक्ट्रोस्प्रे जमाव द्वारा किया जा सकता है। इस तकनीक में सीधे सब्सट्रेट पर सीआईएस नैनो-कणों वाली स्याही के छिड़काव और फिर एक निष्क्रिय वातावरण में सिंटरिंग सम्मिलित है।[40] इस तकनीक का मुख्य लाभ यह है कि प्रक्रिया कमरे के तापमान पर होती है और इस प्रक्रिया को कुछ निरंतर या बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रणाली जैसे रोल-टू-रोल उत्पादन तंत्र से जोड़ना संभव है।[41]


रियर सरफेस पैसिवेशन

सीआईजीएस सौर सेलों के लिए पिछली सतह निष्क्रियता की अवधारणा दक्षता में संशोधन की संभावना दर्शाती है। रियर पैसिवेशन कॉन्सेप्ट सिलिकॉन सोलर सेल की पैसिवेशन तकनीक से लिया गया है।[42] Al2O3 और SiO2 का उपयोग निष्क्रियता सामग्री के रूप में किया गया है। Al2O3 परत पर नैनो-आकार के बिंदु संपर्क [43] और SiO2 परत पर लाइन संपर्क [44] रियर इलेक्ट्रोड मोलिब्डेनम को सीआईजीएस अवशोषक का विद्युत कनेक्शन प्रदान करें। Al2O3 परत पर बिंदु संपर्क ई-बीम लिथोग्राफी द्वारा बनाए जाते हैं और SiO2 परत पर लाइन संपर्क फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके बनाए जाते हैं। यह भी देखा गया है कि पैसिवेशन लेयर्स के कार्यान्वयन से सीआईजीएस लेयर्स की आकृति विज्ञान नहीं बदलता है

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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