CIGS薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析_肖友鵬_圖文

1、第 33卷 第 11期 電 子 元 件 與 材 料V ol.33No.112014年 11月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Nov. 2014CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析肖友鵬 1,熊志華 2,周明斌 2(1.江西科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江西 南昌330098;2. 江西科技師范大學(xué) 江西 南昌330038摘要 :闡述了影響銅銦鎵硒 (CIGS薄膜太陽能電池性能和效率的技術(shù)因素, 包括 CIGS 半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)、 電池的結(jié)構(gòu)組成、 襯底材料的選擇以及 CIGS 薄膜的 Na 摻雜等。 分析了多元共蒸發(fā)法、 硒化法沉積 CIGS 吸收層以 及化

2、學(xué)水浴法沉積 CdS 緩沖層的具體工藝和特征,介紹了柔性 CIGS 薄膜太陽能電池的卷對卷技術(shù),最后就 CIGS 薄膜太陽能電池的研發(fā)與商業(yè)化生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)及解決方法進(jìn)行了分析與歸納。關(guān)鍵詞 :銅銦鎵硒;太陽能電池;綜述;襯底;薄膜;柔性 doi :10.14106/ki.1001-2028.2014.11.005中圖分類號 :TM615文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1001-2028(2014 11-0018-06Device structure analysis of CIGS thin film solar cellXIAO Youpeng 1, XIONG Zhihua 2, ZHOU

3、 Mingbin 2(1.College of Mechanical Engineering, Jiangxi University of Technology, Nanchang330098, China ; 2. Key Laboratoryfor Optoelectronics and Communication of Jiangxi Province, Jiangxi Science &Technology Normal University, Nanchang330038, ChinaAbstract :The technological factors which stro

4、ngly influence the properties and efficiency of copper indium gallium diselenide (CIGSthin film solar cell are reviewed, such as the crystal structure of CIGS semiconductor material, the device structure of CIGS thin film solar cell, the choice of substrate material and the Na-doping of CIGS thin fi

5、lm. And the deposition processes and features of co-evaporation, selenization for growth of CIGS absorption layer and chemical bath deposition for growth of CdS buffer layer are analyzed. In addition, the roll-to-roll production of the flexible CIGS thin film solar cell is introduced. At last, the c

6、hallenges in the development and commercial production of CIGS thin film solar cell and the corresponding solutions are analyzed and summarized.Key words :copper indium gallium diselenide; solar cell; review; substrate; thin film; flexibility銅 銦 鎵硒 (copper indium gallium diselenide , CIGS 是 - -族四元化合

7、物半導(dǎo)體材料, 其具有 黃銅礦的晶體結(jié)構(gòu), 如圖 1所示 1。 這種結(jié)構(gòu)是一種 與 ZnSe 的閃鋅礦結(jié)構(gòu)相似的類金剛石結(jié)構(gòu), 只是 族元素(Cu 和族元素(In 或 Ga 占據(jù)了族元 素(Zn 的位置 2。其中每個 Cu 原子或 In 原子與 Se 原子形成四個共價鍵,反過來每個 Se 原子與 Cu 原子或 In 原子形成兩個共價鍵。 CIGS 是一種直接帶 隙半導(dǎo)體材料, 其可見光波段的吸收系數(shù)高達(dá) 105/cm量級, 只需 1.52.5m 厚的 CIGS 就可吸收幾乎所有的入射太陽光 3,其是非常適合用于制備薄膜太陽能 電池的半導(dǎo)體材料。圖 1CIGS 的黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)Fig.1The

8、unit cell of the chalcopyrite structure of CIGS收稿日期:2014-07-04通訊作者 :肖友鵬基金項目 :江西省科技計劃資助項目(No. 20122BCB23030; No. 20133BBE50001 ;江西科技學(xué)院 2014年度校級協(xié)同創(chuàng)新招標(biāo)項目(No. XJXT1411 作者簡介 :肖友鵬(1979- ,男,江西萍鄉(xiāng)人,講師,研究方向為光伏材料與器件, E-mail:xiaoypnc。第 33卷 第 11期 19肖友鵬等:CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析2011等 報道了光電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 到 薄膜太陽能電池,創(chuàng)造了當(dāng)時 CIGS 薄膜太陽能

9、電池 抗輻射能力強(qiáng),穩(wěn)定性好,工作中不會出現(xiàn)光致衰 減即 S-W 效應(yīng),弱光特性也好 5,因此發(fā)展迅速, 現(xiàn)已成為太陽能電池界的研究熱點。1CIGS 薄膜太陽能電池的典型結(jié)構(gòu) CIGS 薄 膜 太 陽 能 電 池 通 常 采 用 鈉 鈣 玻 璃 (soda-lime glass , SLG 作為襯底,其典型結(jié)構(gòu)為 SLG/Mo/CIGS/CdS/HR-ZnO/n+-ZnO ,如圖 2所示 6。 其一般制備過程是首先在 SLG 襯底上沉積一層 Mo 作為背電極,接下來沉積 p 型 CIGS 吸收層和 CdS 緩沖層,然后沉積高阻(high resistance , HR ZnO 和 n 型重?fù)诫s

10、 ZnO 來作為窗口層,最后沉積 Ni-Al MgF 2圖 2典型 CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Schematic cross section of the typical CIGS thin film solar cell1.1襯底CIGS 薄膜一般是在鍍有 Mo 的玻璃襯底上生長 出來的, 生長 CIGS 薄膜時還可采用陶瓷類剛性襯底 和聚亞酰胺、金屬箔片等柔性襯底。在選擇襯底時, 必須考慮襯底的熱膨脹系數(shù)與 CIGS 薄膜的是否匹 配,這樣生長完冷卻后才不會在薄膜內(nèi)產(chǎn)生過大的 應(yīng)力。 硼硅玻璃等材料的熱膨脹系數(shù)小于 CIGS 薄膜 材料的, 以其為襯底生長的 CIGS 薄

11、膜內(nèi)會因產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)孔洞或裂紋 7;聚亞酰胺等材料的熱膨脹 系數(shù)大于 CIGS 薄膜材料的, 以其為襯底生長的 CIGS 薄膜內(nèi)會因產(chǎn)生壓應(yīng)力而出現(xiàn)薄膜黏附失效現(xiàn)象 8。 由于 SLG 的熱膨脹系數(shù)為(69 ×106/K,與 CIGS 薄膜的(9×106/K相近,其非常適合用作 CIGS 薄 膜的襯底材料。同時鈉鈣玻璃還有一個重要的效用, 即鈉會通過 Mo 背電極擴(kuò)散進(jìn)入 CIGS 薄膜,形成NaSe x 化合物,降低 CuInSe 2的生長速率,從而有助 于增大 CIGS 晶粒直徑以及提高其擇優(yōu)取向性即沿 (112方向的結(jié)晶生長 9,使得 CIGS 薄膜具有更 好的表

12、面形貌和更高的電導(dǎo)率。由于各類柔性襯底 如聚酰亞胺和不銹鋼都不能像鈉鈣玻璃那樣向吸收 層提供鈉, 因此為提高柔性襯底 CIGS 薄膜太陽能電 池的性能,必須采取其他方式摻入鈉,比如可以在薄膜生長時將 Na 與其他元素一起蒸發(fā) 10,如圖 3所 示?；蛘咴诔练e CIGS 薄膜之前,在 Mo 背接觸層上 預(yù) 先 沉 積 含 鈉 的 預(yù) 制 層 (如 NaF 11、 Na 2S 12和Na 2Se 13等化合物,如圖 4所示。 圖 3Na 與其他元素共蒸發(fā)Fig.3Co-evaporation of Na with other elements圖 4沉積含鈉的預(yù)制層Fig.4Deposition o

13、f Na-containing precursor layers1.2背電極CIGS 薄膜太陽能電池的背電極材料一般采用金 屬 Mo , 這是因為 Mo 可以與吸收層 CIGS 薄膜之間形 成良好的歐姆接觸 14。此外, Mo 反射率高,能夠?qū)?太陽光反射回吸收層,從而使得太陽光可有多次機(jī)會 被吸收層吸收。 其 Mo 薄膜一般采用磁控濺射法沉積, 在沉積過程中,需小心控制好工藝參數(shù)以調(diào)控薄膜內(nèi) 部的應(yīng)力,從而保證薄膜緊密附著于襯底 15。Mo 薄膜的結(jié)晶狀態(tài)對 CIGS 薄膜晶體的生長、 擇優(yōu)取向和結(jié)晶形貌等都有直接的影響。 當(dāng) Mo 多晶 層呈柱狀結(jié)構(gòu)時, 其有利于鈉鈣玻璃襯底中的 Na 沿

14、 晶界向 CIGS 薄膜中擴(kuò)散, 進(jìn)而有利于生長出高質(zhì)量電流收集柵線HR-ZnO/n +-ZnO(0.5mCdS (0.05m Cu(InGaSe2(2mMo (0.5m 鈉鈣玻璃CuIn Ga Se NaNaF20肖友鵬等:CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析V ol.33No.11Nov. 2014的 CIGS 薄膜 16。 1.3吸收層p 型的 CIGS 薄膜,在 CIGS 太陽能電池中充當(dāng) 吸收層。在吸收層的設(shè)計上,要考慮 17:結(jié)晶相應(yīng)均勻單一,且結(jié)晶質(zhì)量要好。 CIGS 層應(yīng)該有足夠的厚度來充分吸收太陽 光,但厚度又必須小于載流子的擴(kuò)散長度,以保證 光生載流子能夠被收集。 CIGS 多

15、晶薄膜晶界處的缺陷要少,以盡量降 低載流子的復(fù)合。 CIGS 薄膜的表面形貌要好,以維持良好的界 面狀態(tài),從而使太陽能電池獲得良好的光電特性。20世紀(jì)末, Hermann 等 18使用 CuInSe 2薄膜作 吸收層制備了 CIS 薄膜太陽能電池, CuInSe 2是直接 帶隙半導(dǎo)體材料,在電學(xué)性質(zhì)上,富 Cu 的 CuInSe 2總是具有 p 型特性, 但富 In 的 CuInSe 2薄膜可以是 p 型也可以是 n 型的,這取決于 Se 的含量。如果在高 壓的 Se 氣氛下做熱處理, n 型的薄膜可以轉(zhuǎn)變?yōu)?p 型;如果在低壓的 Se 氣氛下做熱處理, p 型的薄膜 則可以轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型 1

16、9。CuInSe 2的禁帶寬度只有 1.04eV ,因此 CIS 薄膜 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。 通過 Ga 取代部分 的 In , 可 形 成 CuIn 1 x Ga x Se 2多 晶 固 溶 體 。CuIn 1 x Ga x Se 2的禁帶寬度可通過式(1 進(jìn)行計算 20:E g =1.04+0.65x bx (1 x (1 式中:x 為 Ga 與(In+Ga的粒子數(shù)比; b 為光學(xué)弓 形系數(shù),經(jīng)理論計算 b =0.21,而實驗研究表明 b 的 取值在 0.110.2621。由于禁帶寬度連續(xù)可調(diào),相對于 CIS 薄膜太陽 CIGS 薄膜太陽能電池能更好地與太陽光譜 相匹配。高效率的

17、 薄膜太陽能電池的 (In+Ga的粒子數(shù)比在 相應(yīng)的 CIGS 的 eV 1.20eV 時,隨著禁帶寬度的增加,其效率反而下降 22。一 個解釋是當(dāng) CIGS 薄膜禁帶寬度較小時, 缺陷能級靠 近導(dǎo)帶底,隨著禁帶寬度的增加,缺陷能級向禁帶 中央靠近,載流子的體復(fù)合效應(yīng)增強(qiáng),太陽能電池 效率下降; 另一個解釋與 CdS/CIGS異質(zhì)結(jié)的界面復(fù) 合有關(guān),隨著禁帶寬度的增加,界面處導(dǎo)帶帶階由 尖峰(spike 變化為凹口(cliff ,增強(qiáng)了 CdS/CIGS界面處 CdS 中的電子和 CIGS 中的空穴的復(fù)合效應(yīng), 太陽能電池效率下降 23。 CIGS 薄膜的成分對薄膜性質(zhì)影響很大, 當(dāng) CIGS

18、 薄膜富 In 時,其表面的孔洞被規(guī)則排列的黃銅礦化合物所覆蓋, 電池的效率較高 24;當(dāng) CIGS 薄膜富 Cu 時,因為有第二相 Cu y Se 的析出,不利于高效異質(zhì)結(jié) 的形成 25,導(dǎo)致其電池效率較低。文獻(xiàn) 26通過用氰 化鉀溶液腐蝕的方法將 Cu y Se 層從薄膜的表面或晶界 移除,改善了富 Cu 的 CIGS 薄膜太陽能電池的效率。目前, 可以用來制備 CIGS 薄膜的技術(shù)有很多種, 主要包括蒸發(fā)法、硒化法、電沉積法、微粒沉積法以 及分子束外延法等,但適合用于商業(yè)化組件生產(chǎn)的技 術(shù),要求具有高沉積速率和低制造成本,同時能在大 面積的襯底上沉積出組分均勻的 CIGS 薄膜。目前成

19、功商業(yè)化的方法是多元共蒸發(fā)法和硒化法。 1.3.1多元共蒸發(fā)法多元共蒸發(fā)法是在高溫真空環(huán)境下進(jìn)行的,其 是 典 型 的 物 理 氣 相 沉 積 工 藝 (Physical Vapor Deposition , PVD 。在采用多元共蒸發(fā)法制備 CIGS 薄膜時,以 Cu 、 In 、 Ga 、 Se 作蒸發(fā)源,通過使蒸發(fā) 時所揮發(fā)出來的元素沉積在加熱的襯底上,反應(yīng)形 成 CuIn 1 x Ga x Se 2薄膜 27。相比之下, Cu 、 In 及 Ga 在襯底上的黏附系數(shù)很高,而 Se 的黏附系數(shù)較低且 蒸氣壓較高,因此揮發(fā)出來的 Se 原子流量必須大于 Cu 、 In 及 Ga 原子流量的

20、總量,過量的 Se 會從薄膜 表面脫附。如果 Se 供應(yīng)不足,則會導(dǎo)致 In 及 Ga 分 別以 In 2Se 和 Ga 2Se 的形式損失掉 28。目前廣泛采用三步多元共蒸發(fā)法制備 CIGS 薄 膜 29,其過程如圖 5所示。第一步是在 350左右 的 Se 氣氛中蒸發(fā) In 和 Ga ,即同時蒸發(fā) In 、 Ga 和 Se 到襯底上,形成 (InGa2Se 3化合物;第二步是在襯底 溫度為 550左右時, 在 Se 氣氛中蒸發(fā) Cu 直至達(dá)到 薄膜生長所需組成,使薄膜層之間互擴(kuò)散形成微富 Cu 的 CIGS 薄膜;第三步是在襯底溫度為 550左右 時,在 Se 氣氛中再蒸發(fā)少量的 In 和

21、 Ga ,形成富族 元素的薄膜表面, Cu 與族元素的摩爾比在 0.80.9。 這樣形成的 CIGS 薄膜晶粒大, 缺陷也少, 且在多數(shù)情 況下,表現(xiàn)出(112方向的擇優(yōu)取向生長。其中第三 步的蒸發(fā)具有很重要的作用,其不僅消除了前兩步操作中在薄膜表面形成的 Cu y Se ,而且在薄膜表面形成了 富 In 的 CIGS 薄膜,實現(xiàn)了表面 Ga 的梯度分布。圖 5三步共蒸發(fā)法制備 CIGS 薄膜Fig.5The co-evaporation process based on the three-step preparation ofCIGS thin filmsIn+Ga+SeIn+Ga+Se第

22、 33卷 第 11期 21肖友鵬等:CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析多元共蒸發(fā)法生長 CIGS 薄膜的主要優(yōu)點在于 它可以靈活地控制薄膜的組成及禁帶寬度的大小, 所以利用其可以制造出高效率的 CIGS 薄膜太陽能 電池。它的主要缺點在于操作控制比較困難,薄膜 沉積的重復(fù)性不太高,同時缺乏可以實現(xiàn)大面積商 業(yè)化生長的相關(guān)設(shè)備。1.3.2硒化法硒化法又稱為兩步法,該方法一般是利用濺射、 蒸發(fā)和電化學(xué)沉積等工藝先在襯底上沉積一層 Cu 、 In 和 Ga 元素合理分布的預(yù)制層, 再使其在常壓下與 氫化硒(H 2Se 發(fā)生反應(yīng),從而形成 CIGS 薄膜 30, 其流程如圖 6所示。圖 6硒化法生長 C

23、IGS 薄膜Fig.6Formation of CIGS thin films by selenization與 H 2Se 的反應(yīng)溫度一般控制在 400500, 反 應(yīng)時間控制為 3060min 。待反應(yīng)完成后升高溫度, 用 H 2S 對樣品進(jìn)行硫化處理,使其表面附近形成 S 含量較高的 Cu(InGa(SeS2薄膜, 以增加表面薄膜的 禁帶寬度,同時鈍化缺陷。硒化法生長 CIGS 薄膜的主要優(yōu)點是其前期沉 積金屬預(yù)制層的工藝均較為成熟,而后期的高溫反 應(yīng)時間較短,因而是一種具有較低生產(chǎn)成本的技術(shù)。 它的主要缺點是控制組成的自由度不高,所以難以 變化 CIGS 薄膜的禁帶寬度 31。 此外,

24、 硒化法制備的 薄膜黏附性較差,而且 H 2Se 具有很高的毒性,易燃 易爆,在操作上必須格外小心 32。1.4緩沖層在高效 CIGS 薄膜太陽能電池中, 最常用的緩沖 層材料為 n-CdS ,它的主要作用是與 p-CIGS 薄膜形 成 p-n 結(jié)。 CdS 是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料, 室溫下 的禁帶寬度為 2.42eV 。 CdS 在低禁帶寬度的 CIGS 吸收層和高禁帶寬度的 ZnO 層之間形成過渡,減小 了兩者之間的能帶邊失調(diào)值,降低了兩者之間的晶 格失配 33。 調(diào)整能帶邊失調(diào)值, 對于改善 p-n 結(jié)質(zhì)量 和太陽能電池性能具有重要意義。 CdS 與 CIGS 薄膜 之間的晶格匹配性非

25、常好,但隨著 CIGS 薄膜中 Ga 含量的增加,二者的晶格匹配性會有一定的降低。 另外 CdS 還有兩個作用:一是在射頻濺射 ZnO 時給 CIGS 吸收層提供保護(hù),防止對 CIGS 薄膜的損害; 二 是擴(kuò)散進(jìn) CIGS 吸收層中的 S 元素可以鈍化 CIGS 薄 膜表面缺陷, Cd 元素可以使 CIGS 薄膜表面反型 34。 在 CIGS 薄膜上生長 CdS 薄膜, 通常采用的是化 學(xué)水浴沉積法(Chemical Bath Deposition , CBD , 即 將沉積有 CIGS 薄膜的襯底,浸入溫度為 6080的 含有鎘鹽(如 CdCl 2、 CdSO 4、 CdI 2、 Cd(CH

26、3COO 2等 、氨水及 SC(NH2 2的水溶液中數(shù)分鐘,即可得到 CdS 薄膜 33,其化學(xué)反應(yīng)式可表示為:Cd(NH3 4+SC(NH2 2+2OH CdS+H2HCN+4NH3+2H2OCBD 法有如下一些優(yōu)點 34:(1 CBD 法可以沉積 又薄又致密又無針孔的 CdS 薄膜, 薄的 CdS 層可以降 低電池的串聯(lián)電阻,致密無針孔的 CdS 層可以更好地 覆蓋粗糙的 CIGS 薄膜表面,使之免受濺射 ZnO 時的 輻射損傷; (2 CBD 法沉積 CdS 的過程中,氨水可溶 解 CIGS 表面的氧化物,起到清潔表面的作用; (3 Cd 離子可與 CIGS 薄膜表面發(fā)生反應(yīng)生成 CdS

27、e 并向 貧 Cu 的表面層擴(kuò)散,形成 Cd Cu 施主, 促使 CdS/CIGS表面反型,使 CIGS 表面缺陷得到部分修復(fù)。CBD 法的缺點是其不能與真空沉積工藝融合, 不能形成連續(xù)制備工藝 35。另外, CdS 緩沖層中的 Cd 具有毒性,對環(huán)境會造成污染,因此應(yīng)逐步尋求 不含 Cd 的緩沖層材料來替代 CdS , 比如 Zn(O,S36、 (Zn,MgO37和 (Zn,SnOy 38等。1.5窗口層在 CIGS 薄膜太陽能電池中, 通常采用透明導(dǎo)電 層作為窗口層。一般用來作透明導(dǎo)電層的材料主要 有三種,包括有 SnO 2、 ITO 和 ZnO 。 其中 SnO 2必須 在比較高的溫度下

28、沉積制備, 這限制了其在 CIGS 薄 膜太陽能電池上的應(yīng)用, 因為已覆蓋了 CdS 的 CIGS 薄膜無法承受 250以上的高溫。而 ITO 和 ZnO 都 可以應(yīng)用到 CIGS 薄膜太陽能電池上,其中 ZnO 被 廣泛采用, 這是因為其生產(chǎn)成本較低。 另外, 往 ZnO 中摻入適量 Al 形成的 ZnO:Al(AZO 薄膜也是一種 常見的透明導(dǎo)電氧化層材料 39。2柔性 CIGS 薄膜太陽能電池具有曲面造型的光伏建筑物和移動式的光伏電 站等要求太陽能電池具有柔性和可折疊性,這便促 使了柔性薄膜太陽能電池的發(fā)展。所謂柔性薄膜太 陽能電池是以金屬箔片或高分子聚合物作襯底的薄 膜太陽能電池。一般

29、說來,所有薄膜太陽能電池都 可以做成柔性的。 柔性 CIGS 薄膜太陽能電池的制作 工藝和剛性玻璃襯底 CIGS 薄膜太陽能電池的制作 工藝基本相同,不同之處主要體現(xiàn)在襯底材料的選 擇和 CIGS 制備兩方面。硫化硫化2+22肖友鵬等:CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析V ol.33No.11Nov. 2014 襯底材料的選擇首先要考慮的是熱穩(wěn)定性,其 要求襯底可以承受制備吸收層時的高溫環(huán)境,同時 要有合適的熱膨脹系數(shù),并與電極和吸收層材料匹 配良好;其次是化學(xué)穩(wěn)定性和真空穩(wěn)定性,其中, 化學(xué)穩(wěn)定性要求襯底材料在 CIGS 吸收層沉積過程 中不和 Se 發(fā)生反應(yīng),水浴法制備 CdS 時不分解,

30、真 空穩(wěn)定性則要求襯底材料在加熱時不釋放氣體 40。 最后,其襯底材料應(yīng)適合卷對卷工藝,這樣可以實 現(xiàn)吸收層的連續(xù)生長,降低制造成本。 2011年, Adrian 等 41在聚酰亞胺襯底上制備了 柔性 CIGS 薄膜太陽能電池, 圖 7(a 為該太陽能電 池的 SEM 照片,圖 7(b 是該太陽能電池的外觀照 片。 該太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 18.7%, 可以與 剛性襯底 CIGS 薄膜太陽能電池相比擬, 其取得高效 率的關(guān)鍵是 CIGS 吸收層采用了梯度摻雜,因此 Adrian 等 41認(rèn)為聚酰亞胺襯底本身并不會限制柔性 CIGS 薄膜太陽能電池取得高效率,通過優(yōu)化太陽能 電池結(jié)構(gòu)中的各

31、層薄膜、優(yōu)化設(shè)計金屬柵線及優(yōu)化 生產(chǎn)條件, 未來, 聚酰亞胺襯底柔性 CIGS 薄膜太陽 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有望超過 20%。 (a SEM 照片 (b 外觀照片 圖 7聚酰亞胺襯底 CIGS 薄膜太陽能電池 Fig.7CIGS thin film solar cell grown on polyimide substrate美國 Nanosolar 公司率先實現(xiàn)了基于印刷技術(shù)的 柔性 CIGS 薄膜太陽能電池的量產(chǎn), 成為全世界最大 的 CIGS 薄膜太陽能電池生產(chǎn)企業(yè) 42。 Nanosolar 公 司運用卷對卷技術(shù),在大尺寸的卷裝鋁箔上,噴涂 納米級的 CIGS 油墨, 然后將其裁剪成

32、小尺寸的薄膜 太陽能電池,再封裝成組件。 Nanosolar 公司擁有的制造 CIGS 薄膜太陽能電 池的核心技術(shù)之一是調(diào)配出均勻而穩(wěn)定的 CIGS 納 米油墨,圖 8所示為其所制納米油墨。納米油墨是 含有 CIGS 納米顆粒的聚合物懸浮液, 在進(jìn)行大面積 印刷時,四種原子按所要求的比例沉積在襯底上。 圖 8Nanosolar 的 CIGS 納米油墨 Fig.8Nanosolars nanostructure CIGS ink相對而言,普通薄膜太陽能電池的真空沉積技術(shù)更 加復(fù)雜,必須實時調(diào)節(jié) Cu 、 In 、 Ga 及 Se 四種元素 的比例。Nanosolar 公司的 PowerSheet

33、 系列 CIGS 薄膜太陽 能電池為三明治結(jié)構(gòu),如圖 9所示,其所使用的鋁箔 襯底不但廉價,而且電導(dǎo)率是不銹鋼襯底的 20倍。鋁箔襯底; Mo 背電極; CIGS 吸收層; CdS 緩沖層;窗口層圖 9PowerSheet 太陽能電池結(jié)構(gòu)Fig.9The architecture of PowerSheet solar cellPowerSheet 系列 CIGS 薄膜太陽能電池是采用卷 對卷技術(shù)制備的,其先在在一卷長鋁箔上快速而均 勻地印刷 CIGS 納米油墨;然后進(jìn)入另一臺印刷機(jī), 繼續(xù)沉積透明導(dǎo)電薄膜;最后,將印刷有薄膜太陽 能電池結(jié)構(gòu)的鋁箔裁剪成獨立的太陽能電池片,如 圖 10所示。

34、Nanosolar 公司的 PowerSheet 系列 CIGS 薄膜太陽能電池原材料利用率高,不需要昂貴的氣 相沉積設(shè)備,具有較高的投資回報率和光明的市場 應(yīng)用前景。(a 鋁箔 (b 卷對卷工藝(c 納米油墨印刷 (d 電池片圖 10卷對卷技術(shù)制備 CIGS 薄膜太陽能電池Fig.10Roll-to-roll production of CIGS thin film solar cell3結(jié)束語目前, CIGS 薄膜太陽能電池的發(fā)展已取得了長 足的進(jìn)步,太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也得到了提 升。但其想要進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)還有諸多問題亟待解決,主要體現(xiàn)在優(yōu)化太陽能電池材料和降低MoSe 2Mg

35、F 2ZnOMo(surfaceCIGSCdS第 33 卷 第 11 期 肖友鵬等：CIGS 薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)分析 23 生產(chǎn)成本兩方面。CIGS 薄膜的主要成分包括 In、Ga 等價格昂貴的稀有金屬， CdS 薄膜包含有毒物質(zhì) Cd， 因此需要尋找廉價、安全、環(huán)保且無毒的新型替代 材料。 制備高性能的 CIGS 薄膜太陽能電池一般都需 要真空設(shè)備，開發(fā)諸如電化學(xué)沉積、納米顆粒沉積 等非真空制備工藝及相關(guān)設(shè)備有利于降低 CIGS 薄 膜太陽能電池成本， 靈活質(zhì)輕的柔性 CIGS 薄膜太陽 能電池可以實現(xiàn)卷對卷技術(shù)生產(chǎn)，有利于成本進(jìn)一 步下降。 參考文獻(xiàn)： 1 ZHANG S B, WEI S

36、 H, ZUNGER A. Defect physics of the CuInSe2 chalcopyrite semiconductor J. Phys Rev B, 1998, 57(16: 9642-9656. 2 YAKUSHEVA M V, MUDRYIB A V, GREMENOKB V F, et al. Influence of growth conditions on the structural quality of Cu(InGaSe2 and CuInSe2 thin film J. Thin Solid Films, 2004, 451: 133-136. 3 ZH

37、ANG L, JIANG F D, FENG J Y. Formation of CuInSe2 and Cu(In,GaSe2 film by electrodeposition and vacuum annealing treatment J. Sol Energy Mater Sol Cells, 2003, 80(4: 483-490. 4 PHILIP J, DIMITRIOS H, ERWIN L, et al. New world record efficiency for Cu(In,GaSe2 thin-film solar cells beyond 20% J. Prog

38、Photovoltaics: Res Appl, 2011, 19(7: 894-897. 5 SHIROU K, MITSURU I, MASAFUMI Y, et al. Annealing enhancement effect by light illumination on proton irradiated Cu(In,GaSe2 thin-film solar cells J. Jap J Appl Phys, 2002, 41(7: L797. 6 Antonio L, Steven H, William N S, et al. Cu(InGaSe2 Solar Cells M/

39、 Handbook of Photovolatic Science and Engineering. New York: Wiley, 2011: 548. 7 CHEN J S, KOLAWA E, GARLAND C M, et al. Microstructure of polycrystalline CuInSe2/Cd(ZnS heterojunction solar cells J. Thin Solid Films, 1992, 219(1: 183-192. 8 HARTMANN M, SCHMIDT M, JASENEK A, et al. Flexible and ligh

40、t weight substrates for Cu(In,GaSe2 solar cells and modules C/Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Alaska, America: IEEE, 2000: 638-641. 9 BRAUNGER D, HARISKOS D, BILGER G, et al. Influence of sodium on the growth of polycrystalline Cu(InGaSe2 thin films J. Thin Solid Films, 2000, 361

41、: 161-166. 10 TOKIO N, HIROKI O, MASAKAZU F, et al. Improved compositional flexibility of CIGS-based thin film solar cells by sodium control technique J. Sol Energy Mater Sol Cells, 1997, 49(1/2/3/4: 261-267. 11 RUDMANN D, BILGER G, KAELINA M, et al. Effects of NaF coevaporation on structural proper

42、ties of Cu(In,GaSe2 thin films J. Thin Solid Films, 2003, 431/432: 37-40. 12 RAU U, SCHMITT M, HILBURGER D, et al. Influence of Na and S incorporation on the electronic transport mechanisms of Cu(In,GaSe2 solar cells C/ Conference Record of the Twenty Fifth IEEE, Photovoltaic Specialists Conference.

43、 Washingcon, DC: IEEE, 1996: 1005-1008. 13 NAKADA T, IGA D, OHBO H. Effects of sodium on Cu(In,GaSe2-based thin film and solar cells J. Jpn J Appl Phys, 1997, 36: 732. 14 YOON J H, KIM J H, KIM W M, et al. Electrical properties of CIGS/Mo junctions as a function of MoSe2 orientation and Na doping J.

44、 Prog Photovolatic: Res Appl, 2014, 22(1: 90-96. 15 VINK T, SOMERS M, DAAMS J, et al. Stress, Strain, and microstructure of sputter-deposited Mo thin films J. J Appl Phys, 1991, 70: 4301-4308. 16 SCHLENKER T, LAPTEV V, SCHOCK H, et al. Substrate influence on Cu(In,GaSe2 film texture J. Thin Solid Fi

45、lms, 2005, 480-481: 29-32. 17 林明獻(xiàn). 太陽能電池新技術(shù) M. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 181-195. 18 HERMANN A M, RICHARD W, RIKARD W. Low-cost deposition of CuInSe2 (CIS films foe CdS/CIS solar cells J. Sol Energy Mater Sol Cells, 1998, 52(3/4: 355-360. 19 NOUFI R, AXTON R, HERRINGTON C, et al. Electronic properties versus

46、 composition of thin films of CuInSe2 J. Appl Phys Lett, 1984, 45(6: 668-670. 20 WEI S H, ZUNGER A. Band offsets and optical bowings of chalcopyrites and Zn-based - alloys J. J Appl Phys, 1995, 78(6: 3846-3856. 21 WEI S H, ZUNGER A. Calculated natural band offsets of all IIVI and IIIV semiconductors

47、: chemical trends and the role of cationd orbitals J. Appl Phys Lett, 1998, 72: 2011-2013. 22 HEATH J T, COHEN J D, SHAFARMAN W N, et al. Effect of Ga content on defect states in CuIn1xGaxSe2 photovoltaic devices J. Appl Phys Lett, 2002, 80(24: 4540-4543. 23 GLOECKLER M, SITES J R. Efficiency limita

48、tions for wide-band-gap chalcopyrite solar cells J. Thin Solid Films, 2005, 480/481: 241-245. 24 MAKOTO K, KATSUMI K. Development of Cu(InGaSe2 thin-film solar cells J. Springer Series Photonics, 2004(13: 183-208. 25 RAU U, SCHOCK H W. Cu(In,GaSe2 thin-film solar cells M/ Solar Cells (Second Edition

49、: Materials, Manufacture and Operation. Netherlands: Elsevier Science, 2013: 261-304. 26 LI W, SUN Y, LIU W, et al. Improvement in efficiency of solar cell by removing Cu2-xSe from CIGS film surface J. Chin Phys, 2006, 15(4: 878-881. 27 RENIER K, MARTHA C. Chalcopyrite based solar cells M/ Thin Film

50、 Solar Cells: Fabrication, Characterization and Applications. New York: Wiley, 2006: 237-275. 28 JACKSON S C, BARON B N, ROCHELEAU R E, et al. A chemical reaction model for physical vapor deposition of compound semiconductor films J. AIChE J, 1987, 33(3: 711-721. 29 ANDREW M G, JOHN R T, DAVID S A, et al. High-efficiency CuInxGa1xSe2 solar cells made from (Inx, Ga1x2Se3 precursor films J. Appl Phys Lett, 1994, 65(2: 198-200. 30 WIETING R D. CIS product introducti