空間飛行器用太陽電池研究進展

劉 勇，王傳東

（海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津300384）

空間飛行器用太陽電池研究進展

劉 勇，王傳東

（海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津300384）

介紹了執行深空探測和行星探測任務的空間飛行器用太陽電池研究進展，介紹了具有轉換效率高、長期穩定性好、抗輻射能力強等優點的Cu(In,Ga)Se2(簡稱CIGS)薄膜太陽電池，綜述了其結構及特點、吸收層薄膜的制備方法及其研究熱點，認為隨著研究的不斷深入，太陽電池將在空間飛行器方面取得更加廣闊的應用。

太陽電池；飛行器；衛星

近年來，小衛星技術迅速發展，質量和體積不斷減小，成本也在下降。電源系統約占小衛星質量的40%，減小電源系統的質量和提高電池的效率對小衛星尤為重要。1991年，歐洲首個使用LPE技術制造的GaAs電池的衛星UoSAT-5小衛星發射。1997年，歐洲第一個搭載5 μm GaAs單結電池作為主電源的衛星Equator-S升空。2005年，美國國家航空和宇宙航行局發射了Space Technology-5計劃的首顆衛星，衛星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三結疊層電池，效率達到28%。本世紀初，效率達到28%的太陽電池在美國已經可以量產，三結疊層電池的應用也已經列于美國大部分的衛星計劃。

對于深空探測和行星探測任務，GaAs電池和Si電池都已被使用。距離更遠的任務，Si電池(專門為低太陽照度和低溫設計)是首選的，配有輕質量聚光設備的III-V族化合物單結或者多結太陽電池也表現良好。對那些運行在太陽光輻照量只有地球上1/10情況下的衛星，10倍的聚光強度使其輸出功率與在地球上的輸出功率相近。圖1所示為歐洲的Herschel and Planck太空天文臺計劃的效果圖，使用三結GaAs電池。

圖1 歐洲的Herschel and Planck太空天文臺效果圖

1 薄膜太陽電池

在眾多種類的太陽電池中，Cu(In,Ga)Se2(簡稱CIGS)薄膜太陽電池以其轉換效率高、長期穩定性好、抗輻射能力強等優點迅速成為光伏界的研究熱點，被認為是最具發展前景的薄膜太陽電池之一。目前，CIGS薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率已經超過20%。然而，CIGS吸收層是四元化合物多晶薄膜，沉積工藝較復雜。在其生長機制、材料的化學物理性質以及p-n異質結的物理性能等方面還有很多問題沒有明確。這些也是繼續提高電池效率需要解決的關鍵問題。

與此同時，CIGS薄膜電池組件的產業化也迅速發展。美國、德國、日本的公司相繼建立了兆瓦級生產線，生產的大面積電池組件效率多數超過了13%，全球的年產能超過了1 GW。未來將重點解決降低成本，提高產品的成品率等問題。為此，具有潛在成本優勢的非真空工藝成為新的研究方向。

2 CIGS薄膜太陽電池結構及特點

1994 年，美國國家可再生能源實驗室(NREL)提出了制備高效Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽電池的結構，如圖2所示。普通的鈉鈣玻璃、不銹鋼箔片或聚酰亞胺等材料作為襯底，在襯底上濺射沉積Mo薄層作為電池的背電極。Mo電極層既要保證與襯底間有很好的附著力，又要保證與其上的吸收層有良好的歐姆接觸，還要有高的電導率和合適的結晶取向。然后使用物理氣相沉積 (PVD)工藝沉積厚度約為2 μm的p-型CIGS半導體薄膜作為光吸收層。厚度約為50 nm的n-型緩沖層CdS、ZnS或In(OH)S 由化學水浴法沉積。分別采用射頻和直流磁控濺射在緩沖層上沉積50 nm厚的本征i-ZnO和300～500 nm厚的ZnO：Al透明導電膜作為窗口層，ZnO中的摻雜還可以是B、Ga等III族元素，其不同的摻雜元素和摻雜量將影響窗口層的電導率和光透過率。p型CIGS和n型CdS及高阻n型ZnO形成了p-n異質結是CIGS薄膜太陽電池的核心。為了降低電池表面反射引起的入射光損失，可以通過電子束蒸發沉積100 nm厚的MgF2減反射膜。最后蒸發沉積Ni/Al雙層金屬作為收集電流的柵極。直到今天，CIGS薄膜太陽電池的實驗室效率已經超過20%[1]，這種經典的電池結構仍然被沿用。

圖2 CIGS薄膜太陽電池經典結構

與非晶硅、CdTe等薄膜太陽電池相比，CIGS薄膜電池具有如下特點：

(1)CIGS薄膜是一種直接帶隙半導體材料，其可見光的吸收系數高達105cm-1量級，因此非常適合作為薄膜電池的吸收層材料，厚度僅1～2 μm就可以將大部分太陽光吸收，降低了原材料消耗。

(2)通過在CIS薄膜中摻入Ga部分的替代In可以使吸收層帶隙在1.04～1.67 eV變化，通過優化沉積工藝調整Ga元素在吸收層中分布可以形成梯度帶隙，使其與太陽光譜更加匹配，從提高相應的器件性能[2]。

(3)CIGS薄膜太陽電池穩定穩定性好,沒有光致衰變現象(Staebler Wronski效應)。日本Showa Shell公司對11 kW的CIGS電池方陣進行了連續3年的戶外測試，結果顯示組件效率沒有任何衰減。

(4)抗輻射能力強，用于空間飛行器電源很有競爭能力。對安裝了CIGS薄膜電池組件的NASDA微小衛星進行了模擬宇宙環境的電子和中子照射實驗，證明了其抗輻射能力遠高于InP系、GaAs系和Si系太陽電池。

(5)CIGS薄膜既可生長在廉價的鈉鈣玻璃襯底上，也可以沉積在不銹鋼或聚酰亞胺等柔性襯底上，適合于在線連續沉積(in-line process)或卷對卷沉積(roll-to-roll)，提高了大面積電池組件的生產效率，具有廣闊的發展空間和產業化前景。

3 CIGS吸收層薄膜的制備方法

CIGS吸收層的性能直接關系到薄膜太陽電池的性能。其制備方法主要有蒸發法、金屬預置層后硒化或硫化法以及低成本的非真空沉積方法。國內外一些公司基于這些技術路線已經實現了CIGS薄膜電池組件大規模生產的商業化，或者正在進行中試生產和研發。

(1)多元共蒸發法

多元共蒸發法是沉積CIGS薄膜使用最廣泛和最成功的方法，效率超過18%的CIGS薄膜太陽電池都是用這種方法制備的。根據薄膜沉積過程中襯底溫度和各金屬源蒸發速率的變化過程，多元共蒸發工藝又分為一步法、兩步法、三步法和在線連續蒸發方法。由于蒸發速率或真空腔室結構的不同，各個工藝流程的沉積時間為10～90 min。對于2 μm厚度的吸收層，典型的沉積速率為20～200 nm/min，最終得到成分略微貧銅的薄膜。

(2)濺射金屬預置層后硒化工藝

濺射后硒化工藝程序分為預制層濺射和硒化兩部分。因為采用不同的硒源，又分為硒化氫硒化法和固態源硒化法。首先在覆蓋鉬薄膜的玻璃襯底上濺射沉積Cu-In-Ga金屬預制層，然后在硒化氫或硒蒸氣氛圍中對其進行后處理，得到滿足化學計量比的Cu(In,Ga)Se2薄膜。為了提高表面帶隙寬度，在后硒化加入硫化工藝，摻入的S原子部分替代Se原子，在薄膜表面形成一層寬帶隙的Cu(In,Ga)S2。這樣可以降低異質結的界面復合，提高器件的開路電壓。

濺射后硒化工藝的優點是大面積銅銦硒薄膜的均勻性比較容易實現，適合工業化生產，目前在美國和日本都有濺射硒化法的商業化生產線。預制層的濺射通常采用Cu、Ga合金靶與In靶，根據需要也可以采用兩種不同比例的Cu、Ga合金靶來控制Ga的含量。大多數生產線的硒化過程都采用硒化氫作為硒源，由Ar氣或N2氣攜帶進入硒化室進行硒化處理或快速退火處理(RTP)。但是硒化氫是一種劇毒氣體，危險性大，成本高，會對環境造成污染。固態源硒化法采用固態硒丸作為硒源，可以不用載氣，安全無毒，設備簡單，具有成本優勢，是近些年來研究較多的新技術。但固態源硒化法在薄膜成分的均勻性、電池的轉換效率等方面還存在比較大的問題。

(3)非真空沉積方法

非真空沉積方法是指在非真空環境下完成金屬預置層的沉積，然后進行硒化退火處理。沉積金屬預置層的方法有電沉積工藝、納米顆粒涂覆法等。這些方法最大的特點是設備、實驗條件和原材料純度等要求較低，在沉積大面積薄膜、提高生產效率和降低成本方面具有優勢。目前，這些技術還處于實驗室研究階段，中試生產技術尚不成熟，在提高產品成品率和重復性方面還有待提高。

電沉積CIGS薄膜的工藝一般是在酸性溶液中進行，溶液體系大致分兩類：氯化物體系和硫酸鹽體系。其中氯化物體系制備的電池效率較高。氯化物體系主要用CuCl2、InCl3、GaCl3、H2SeO3或SeO2作為主鹽，溶液中加入導電鹽KCl或KI以及KSCN、檸檬酸等絡合劑。美國國家可再生能源實驗室(NREL)采用一步電沉積工藝，在室溫得到的預置層成分比例為：CuIn0.32Ga0.01Se0.93～CuIn0.35Ga0.01Se0.99。然后將其放入真空系統中補充沉積一定量的In、Ga和Se，將成份調整到化學計量比CuIn0.7Ga0.3Se2，經這樣處理后用于制備的太陽電池其效率達到15.4%。

納米顆粒涂覆法是將Cu、In、Ga按所需的Cu/(In+Ga)比例混合制成金屬氧化物納米顆粒涂料，用絲網印刷等方法涂覆在沉積了Mo電極的襯底上干燥，然后在500～550℃的H2和N2混合氣氛中脫氧得到Cu-In-Ga合金，再在420～450℃時，H2Se和N2的混合氣體中硒化形成CIGS薄膜。采用這種方法在聚酰亞胺(PI)、Ti箔和玻璃上的制備點電池的效率分別達到8.9%、9.5%和13.6%。

4 CIGS薄膜太陽電池研究熱點

CIGS薄膜太陽電池實驗室技術自20世紀70年代誕生以來得到迅速發展，可概括為以下幾方面：(1)在電池結構方面，使用CdS/雙層ZnO薄膜層代替較厚的(CdZn)S窗口層材料，有效提高了短波區的光伏響應；(2)使吸收層帶隙形成雙梯度，加強了長波段光子的吸收和光生載流子的收集效率，提高了電池的開路電壓，同時減小了短路電流的損失；(3)共蒸發三步法的提出優化了CIGS薄膜生長過程，顯著改善了薄膜的結晶質量和電學性質；(4)用堿石灰玻璃替代無鈉玻璃，玻璃中的Na通過Mo層擴散進入CIGS薄膜，鈍化了吸收層中部分點缺陷，提高了吸收層的P型特性，降低了空間電荷區寬度，提高了電池的開路電壓和填充因子。隨著實驗是技術趨于成熟，CIGS薄膜材料及太陽電池的研究熱點也在不斷變化，主要體現在以下幾方面：(1)高效率CIGS薄膜太陽電池的研究：(2)柔性襯底CIGS薄膜太陽電池及組件；(3)無Cd緩沖層的研究。隨著研究的不斷深入，太陽電池將在空間飛行器方面取得更加廣闊的應用。

[1]羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]王赫，劉芳芳，孫云，等.Cu(In,Ga)Se2薄膜表面的鎵含量分布對太陽電池性能的影響[J].人工晶體學報，2010,39(1):52-56.

Research progress of solar cells for space aircraft

The research progress of solar cells for space aircraft implementing deep space and planetary exploration missions was introduced.Cu(In,Ga)Se2(CIGS)thin film solar cell was introduced,having the advantages of high conversion efficiency,good long-term stability,strong anti radiation ability.The structure and characteristics were summarized.The preparation methods and research focus of absorption layer thin film were summarized.With the deepening of study,the solar cell would have extensive application in space aircraft.

solar cell;aircraft;satellite

TM914

A

1002-087 X(2015)10-2325-03

2015-03-27

劉勇(1965—)，男，天津市人，高級工程師，主要研究方向為物理與化學電源。