銅銦鎵硒薄膜太陽電池的分析進展

銅銦鎵硒薄膜太陽電池的分析進展綜述了國內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的研究現(xiàn)狀；概述了CIGS薄膜太陽電池的典型構(gòu)造及其吸收層的材料特性；重點介紹了CIGS薄膜吸收層的制備方法，如多元共蒸發(fā)法、預(yù)置層后硒化法、單靶磁控濺射法、離子束濺射法和電沉積法；最后探討了CIGS薄膜太陽電池存在的問題及今后研究方向。

隨著能源危機及傳統(tǒng)能源對環(huán)境污染的日趨嚴重，開發(fā)可再生清潔能源成為世界各國謀求可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略問題之一。其中太陽能是取之不盡的理想清潔能源。而光伏發(fā)電就是利用太陽能的重要手段之一。近年來，光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢是薄膜太陽能電池，因為它節(jié)省材料、運輸成本低、效率高且生產(chǎn)速率高等優(yōu)勢。其中，銅銦硒(CIS)/銅銦鎵硒(CIGS)為吸收層的薄膜太陽電池有望成為新一代太陽電池的主流產(chǎn)品之一，而CIGS是在CIS的根底上發(fā)展起來相同體系的太陽能電池，通過適量的Ga取代In，成為CuIn1-xGaxSe2多晶固溶體，其禁帶寬度可以通過改變In和Ga的比例來調(diào)整，所以對CIS薄膜太陽電池的研究重點就轉(zhuǎn)向了CIGS薄膜太陽電池。1、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池國內(nèi)外現(xiàn)狀

1974年，美國Bell實驗室的Wagner等首先研制出轉(zhuǎn)換效率5%的CIS太陽電池，1975年效率到達12%。1982年，波音公司制備CIS薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率超過10%。1988年，ARCO公司通過H2Se硒化濺射的Cu、In預(yù)置層薄膜制備的CIS電池轉(zhuǎn)化效率到達14.1%。1993，Tarrent等在CuInSe2摻入Ga、S，制備的Cu(In，Ga)(Se，S)2電池效率達15.1%。1994年，美國可再生能源國家實驗室(NREL)利用/三步共蒸發(fā)工藝0，制備的CIGS薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率達15.9%，20**年提升至19.6%，20**年到19.9%。20**年4月，德國太陽能和氫能研究中心(ZSW)的研究人員宣布其研制的CIGS太陽能電池轉(zhuǎn)換率到達20**%，8月刷新為20.3%，20**年，瑞士EMPA研發(fā)CIGS光伏電池轉(zhuǎn)換效率達20.4%，再次刷新了記錄，預(yù)示著CIGS巨大的開發(fā)應(yīng)用價值。

與國際上研究開發(fā)的力度和規(guī)模相比較，國內(nèi)對CIGS薄膜太陽能電池的研究相對落后，但近年來，一些企業(yè)和研究機構(gòu)對CIGS太陽能電池的熱情很高，相關(guān)資金投入也很大，并且取得了一定的成果。中國在/8630計劃中完成了相應(yīng)的中試線開發(fā)，南開大學(xué)、**大學(xué)、清華大學(xué)共同擔(dān)負了/銅銦硒太陽能薄膜電池試驗平臺與中試線0項目，成功研究出/對向?qū)\生磁控濺射靶0和關(guān)鍵沉積技術(shù)；裝備了世界最先進的測試儀器，建立了測試平臺；以新型高效CIGS構(gòu)造代替了早期的CIS電池構(gòu)造；并且作了CIS太陽能電池相關(guān)材料的研究。項目研制出了轉(zhuǎn)換效率為13%的電池，柔性不銹鋼襯底上的轉(zhuǎn)換效率也超過9%。20**年6月初，中國科學(xué)院***先進技術(shù)研究院與香港中文大學(xué)合作，采用共蒸發(fā)法成功研發(fā)出的CIGS薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達17%，是目前國內(nèi)報道的CIGS太陽電池的最高轉(zhuǎn)換率。2、CIGS薄膜太陽電池的構(gòu)造與特點

太陽電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)：光照下，pn結(jié)處的內(nèi)建電場使產(chǎn)生的非平衡載流子向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢，與外路連接便產(chǎn)生電流。CLGS薄膜太陽電池是典型的多層膜構(gòu)造：襯底/Mo/CIGS/CdS/-iZnO/ZnO：Al/MgF2/N-iAl，如下列圖1所示。

圖1CIGS薄膜太陽電池的典型構(gòu)造

CIGS薄膜太陽電池具有以下特點：1CIGS是一種直接帶隙材料，可見光的吸收系數(shù)達105cm-1數(shù)量級；o通過調(diào)節(jié)Ga含量使CIGS禁帶寬度在1.04~1.67eV之間變化；?轉(zhuǎn)換效率高，目前小面積的CIGS薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)到達20.3%；?抗輻射能力強。?電池穩(wěn)定性好，不會產(chǎn)生光致衰變現(xiàn)象即沒有S-W效應(yīng)；?弱光特性好；?技術(shù)成熟后，制備成本和能量償還時間低于單晶Si電池。5、CIGS太陽電池存在的問題及今后發(fā)展方向

CIS薄膜太陽池自20世紀70年代誕生以來，特別是90年代Ga的摻雜，得到了迅速的發(fā)展，并逐漸產(chǎn)業(yè)化，但是還存在著各種問題。

(1)CIGS薄膜電池效率的提高

20**年德國的氫能和可再生能源研究中心(ZSW)刷新了NREL的世界紀錄，在制備面積為015cm2的CIGS薄膜電池轉(zhuǎn)換效率到達20.3%。與NREL的19.9%相比，開路電壓提高26mV，填充因子降低了3.7%，這說明未來CIGS電池效率還存在提高的空間。因此人們越來越重視CIGS薄膜吸收層的多相性、亞穩(wěn)態(tài)和摻雜機制的研究，深入研究和理解CIGS薄膜中的各類缺陷對材料導(dǎo)電性和復(fù)合機制的影響，CIGS薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率將不斷提高。

(2)柔性襯底材料的選擇

柔性襯底的CIGS薄膜太陽電池的突出特點是質(zhì)量比功率高。瑞士EMPA制備的PI襯底CIGS電池效率達18.7%，而以金屬箔片為襯底的電池效率超過了17%。種種現(xiàn)象說明柔性襯底是未來發(fā)展CIGS薄膜太陽電池的首選襯底。但是由于CIGS生產(chǎn)過程需要高溫，所以對柔性襯底材料的選擇也是比較苛刻的。柔性襯底材料需要能耐高溫且穩(wěn)定，同時襯底與CIGS吸收層的熱膨脹系數(shù)相差要小，化學(xué)穩(wěn)定性較高。所以目前的柔性襯底材料主要有金屬箔和有機聚合物兩類襯底。相信隨著科學(xué)的進步，新材料將會不斷推出，更加優(yōu)秀且符合要求的材料代替原來的襯底材料。

(3)大面積CIGS組件

大面積生產(chǎn)CIGS薄膜太陽電池面臨著各種問題：共蒸發(fā)法雖然在小面積制備上能制備出高效率的CIGS薄膜太陽電池，但是大面積卻不行，金屬預(yù)置層后硒化法雖然是大面積生產(chǎn)的首選，但是轉(zhuǎn)換效率卻沒有共蒸發(fā)法高。雖然CIGS在實驗室的研究中轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了20%，但是大面積生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率卻不盡人意，組件最高效率17.4%，比小面積低2.9個百分點。未來大面積CIGS薄膜電池組件的轉(zhuǎn)換效率仍然有很大的上升空間，產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)目標(biāo)仍然是簡化工藝流程、提高電池的效率和良率，到達進一步擴大產(chǎn)能、降低成本的目的。

(4)CIGS中In、Ga、Se等稀有元素的代替

CIGS薄膜是由四種元素組成)))Cu、In、Ga、Se，其中的In、Ga、Se都是稀有元素，價格比較昂貴，這與產(chǎn)業(yè)化的低成本相對，所以必須尋找其他的富有且廉價的原材料代替稀有元素。目前國內(nèi)外的很多學(xué)者已經(jīng)意識到并付之行動。LouisGrenet等已用Zn和Sn取代In和Ga，S取代部分Se，制備出的Cu2ZnSn(S1-xSex)4效率達6%。D.AaronR.Barkhouse等制備出Cu2ZnSn(S1-xSex)4效率達1011%。因此未來的發(fā)展趨勢是采用大量并廉價的原材料來制備薄膜太陽電池。

(5)CIGS薄膜太陽電池的無鎘緩沖層

目前高效率CIGS薄膜太陽電池的緩沖層是使用CdS，CdS能與CIGS薄膜產(chǎn)生很好的p-n異質(zhì)結(jié)，但是CdS的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的Cd離子是有毒的，對環(huán)境不友好，從可持續(xù)發(fā)展方面考慮也是不合適的；因此要大力開發(fā)無鎘緩沖層。經(jīng)過多年的努力，各國已經(jīng)相繼研究出各種各樣的緩沖層代替材料以及相關(guān)的制備方法，主要的替代緩沖層材料有In2S3，ZnS，Zn1-xMgxO，ZnSe，ZnO，In(OH)3，In2Se3，InZnSex，SnO2，SnS2等，其中采用In2S3，ZnS，Zn1-xMgxO為緩沖層制備的CIGS電池已經(jīng)取得了較高的效率。目前，以ALD--In2S3作為緩沖層CIGS薄膜太陽電池組件取得的最高效率是16.4%，以CBD-ZnS為緩沖層的CIGS薄膜太陽電池的轉(zhuǎn)換效率到達18.6%(有效面積小于1cm2)，以ALD-Zn1-xMgxO作為緩沖層含有減反膜的薄膜太陽電池獲得的最高效率是18.1%。6、展望

CIGS薄膜太陽電池經(jīng)過了20多年的發(fā)展，取得了相當(dāng)輝煌的成就：小面積的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過20%，大面積組件的轉(zhuǎn)換效率也超過了15%，并已經(jīng)開始