CIGS薄膜太陽能電池結構分析

喻善均

摘要：綜述了目前國際上研究得最多的幾種薄膜太陽能電池材料的研究現狀和各自的最新進展，包括硅基類（非晶硅、多晶硅、微晶硅）、無機化合物類（碲化鎘、銅銦硒、砷化鎵）、有機類、染料敏化（二氧化鈦、氧化鋅）等，并從材料、工藝和轉換效率等方面比較和討論了它們各自性能的優劣，最后展望了這些薄膜太陽能電池材料未來的研究方向及應用前景。

關鍵詞：薄膜太陽能電池

引言

近年來，環境污染和能源衰竭等問題與全球經濟發展之間的矛盾越來越突出，加上人類對可再生能源的不斷需求，這樣就促使人們致力于開發新的能源。太陽能作為一種可再生能源有著其它能源不可比擬的優勢，因此，合理利用好太陽能將是人類解決能源問題的長期發展戰略，太陽能受到人們廣泛的重視也是順理成章的事情。典型的太陽能電池本質上是一個半導體二極管（p-n結），它利用光伏效應原理把太陽輻射能轉換為電能。當太陽光照射到半導體二極管p-n結上并被吸收時，其能量大于半導體材料禁帶寬度Eg的光子能把價帶中的電子激發到導帶上去，同時價帶中留下帶正電的空穴，即形成了電子-空穴對，通常稱其為光生載流子。這些光生載流子在p-n結內建電場作用下迅速分離，電子被掃到電池的n型一側，空穴被掃到電池的p型一側，從而在二極管的兩側分別形成了正負電荷積累，并產生了“光生電壓”，這就是所謂的“光伏效應”（Photovoltaiceffect）。若在p-n結兩側引出電極并接上負載，則負載中就有“光生電流”通過，即得到可利用的電能，典型的太陽能電池就是根據這個基本原理工作的。

一、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，不同之處主要體現在襯底材料的選擇和CIGS制備兩方面。

具有非常出色的弱光性。CIGS薄膜太陽電池不但可以在太陽直射的前提下具有較高的轉化效率，而且其所具有的弱光特性，也是其他太陽能電池難以比擬的。研究表明，在太陽輻射強度比較弱地區，其光電轉化率也遠遠高于其他太陽能電池。當太陽輻射強度為0.1mW/cm2時，光電轉化效率為3.12%，當太陽輻射強度提高到1.0mW/cm2時，光電轉化效率為7.25%，當太陽輻射強度提高到10.1和100mW/cm2時，光電轉化效率分別為11.26%和14.24%，從這幾組數據中可以看出，太陽輻射強度無論在何種情況下，CIGS薄膜太陽電池光電轉化效率都比較高，這一點也是實現CIGS薄膜太陽電池產業化和商業化發展的主要優勢之一。

二、非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅薄膜太陽能電池是用非晶硅半導體材料在玻璃、特種塑料、陶瓷、不銹鋼等為襯底制備出來的一種目前公認環保性能最好的太陽能電池。1976年美國RCA實驗室的Carlson等，對非晶硅進行研制并首次報道了非晶硅薄膜太陽能電池，引起了全世界的關注。非晶硅薄膜太陽能電池之所以受到人們廣泛關注，是因為它有如下優點：質量輕且光吸收系數高，開路電壓高，抗輻射性能好，耐高溫，制備工藝和設備簡單，能耗少，可以淀積在任何襯底上且淀積溫度低、時間短，適于大批量生產。

非晶硅雖然是一種很好的電池材料，但是還存在一些不足：（1）光學禁帶寬度為1.7eV，使得材料本身對太陽輻射光譜的長波區域不敏感，從而限制了其光電轉換效率。（2）光電轉換效率會隨著光照時間的延長而衰減，即所謂的光致衰退（S-W）效應，使得電池性能很不穩定。近年來國內外對其的研究主要在于提高光電轉換效率和光致穩定性，并得到了一些改進的方法：采用有不同帶隙的多結迭層;降低表面光反射;使用更薄的i層。經過這些努力，使得非晶硅薄膜太陽能電池的光致衰減率從30%下降到了15%，同時光電轉換效率也得到了一定程度的提高。非晶硅薄膜太陽能電池的制備方法有反濺射法、低壓化學氣相沉積法（LPCVD）、等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）和熱絲化學氣相沉積法（HWCVD）。西班牙巴塞羅那大學的Villar.F等，在溫度低于150℃的條件下利用HWCVD方法制備出轉換效率為4.6%的非晶硅薄膜光電池。日本三菱重工（MHI）制成了1.4m×1.1m世界上面積最大的高效非晶硅薄膜太陽能電池，其轉換效率達到8%。目前，穩定的單結非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉換效率最高達到9.5%。我國對非晶硅薄膜太陽能電池的研究在20世紀80年代中期達到高潮，并取得了一些成果：研制出面積為1cm×1cm和30cm×30cm的單結非晶硅薄膜太陽能電池的實驗室轉換效率分別達到11.4%和6.2%。2000年以雙結非晶硅薄膜太陽能電池為重點的硅基薄膜太陽能電池研究被列為國家重點基礎研究發展計劃“973”項目。鑒于非晶硅薄膜太陽能電池良好的發展前景，我國將在四川崇州市建全國最大的非晶硅太陽能薄膜生產基地，建成后預計年生產量達30MW。

三、CIGS薄膜太陽電池產業化最新的進展

多元共蒸發法多元共蒸發法是在高溫真空環境下進行的，其是 典 型 的 物 理 氣 相 沉 積 工 藝 （ Physical VaporDeposition，PVD）。在采用多元共蒸發法制備 CIGS薄膜時，以 Cu、In、Ga、Se 作蒸發源，通過使蒸發時所揮發出來的元素沉積在加熱的襯底上，反應形成 CuIn 1–x Ga x Se 2 薄膜 。相比之下，Cu、In 及 Ga在襯底上的黏附系數很高，而 Se 的黏附系數較低且蒸氣壓較高，因此揮發出來的 Se 原子流量必須大于Cu、In 及 Ga 原子流量的總量，過量的 Se 會從薄膜表面脫附。如果 Se 供應不足，則會導致 In 及 Ga 分別以 In 2 Se 和 Ga 2 Se 的形式損失掉。目前廣泛采用三步多元共蒸發法制備 CIGS 膜。第一步是在 350 ℃左右的 Se 氣氛中蒸發 In 和 Ga，即同時蒸發 In、Ga 和 Se到襯底上，形成（InGa） 2 Se 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 Cu 直至達到薄膜生長所需組成，使薄膜層之間互擴散形成微富Cu 的 CIGS 薄膜;第三步是在襯底溫度為 550 ℃左右時，在 Se 氣氛中再蒸發少量的 In 和 Ga，形成富Ⅲ族元素的薄膜表面，Cu 與Ⅲ族元素的摩爾比在 0.8～0.9。這樣形成的 CIGS 薄膜晶粒大，缺陷也少，且在多數情況下。其中第三步的蒸發具有很重要的作用，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，實現了表面 Ga 的梯度分布。快速化學通道沉積法通過快速化學通道沉積法制備CIGS薄膜太陽電池中的Zn緩沖層，通過向標準的化學溶液中添加H2O2作為氧源，提高反應的速率，大幅度提升了微粒在化學通道中的形成，而且還能提高光電轉化效率，而且成本比較低，值得大范圍推廣應用。

射頻磁控濺射法。通過射頻磁控濺射法，在玻璃襯底上制備就可以得到CIGS薄膜，通過EDS測試結果表明，濺射CIGS薄膜Ga組份比較符合高效吸收層的要求。而且還能提高CIGS薄膜和襯底的晶化程度，從而降低CIGS的電阻率，研究表明，此種方法制備的CIGS薄膜太陽電池對可見光有較高的吸收效率，比較適用于太陽能電池的高效吸收層。近年來由于其極高的轉換效率和一些新的研究成果引起了國內薄膜太陽能電池研究者的極大興趣，加之國家在此方面的投資力度逐年加大，相信不久的將來我國在這方面的研究將會取得突破性的進展。

結束語：

染料敏化類薄膜太陽能電池及有機薄膜類太陽能電池的研究僅僅處于初級階段，在基本原理和一系列關鍵技術上仍存在一些問題。盡管如此，隨著技術的突破，其應用前景將會非常廣闊。雖然化合物半導體材料的太陽能電池具有價格優良、性能良好、工藝簡單等優點，但是所用的材料大多有毒，對環境會造成污染，且多為稀有元素，對其發展起到了很大的限制作用，因此不具備長遠化生產的能力。微晶硅薄膜太陽能電池低的轉換效率和沉積速率直接影響其在實際生活中的應用。

參考文獻

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