空間飛行器用太陽(yáng)電池研究進(jìn)展

劉 勇，王傳東

（海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300384）

空間飛行器用太陽(yáng)電池研究進(jìn)展

劉 勇，王傳東

（海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300384）

介紹了執(zhí)行深空探測(cè)和行星探測(cè)任務(wù)的空間飛行器用太陽(yáng)電池研究進(jìn)展，介紹了具有轉(zhuǎn)換效率高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的Cu(In,Ga)Se2(簡(jiǎn)稱CIGS)薄膜太陽(yáng)電池，綜述了其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、吸收層薄膜的制備方法及其研究熱點(diǎn)，認(rèn)為隨著研究的不斷深入，太陽(yáng)電池將在空間飛行器方面取得更加廣闊的應(yīng)用。

太陽(yáng)電池；飛行器；衛(wèi)星

近年來(lái)，小衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展，質(zhì)量和體積不斷減小，成本也在下降。電源系統(tǒng)約占小衛(wèi)星質(zhì)量的40%，減小電源系統(tǒng)的質(zhì)量和提高電池的效率對(duì)小衛(wèi)星尤為重要。1991年，歐洲首個(gè)使用LPE技術(shù)制造的GaAs電池的衛(wèi)星UoSAT-5小衛(wèi)星發(fā)射。1997年，歐洲第一個(gè)搭載5 μm GaAs單結(jié)電池作為主電源的衛(wèi)星Equator-S升空。2005年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局發(fā)射了Space Technology-5計(jì)劃的首顆衛(wèi)星，衛(wèi)星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層電池，效率達(dá)到28%。本世紀(jì)初，效率達(dá)到28%的太陽(yáng)電池在美國(guó)已經(jīng)可以量產(chǎn)，三結(jié)疊層電池的應(yīng)用也已經(jīng)列于美國(guó)大部分的衛(wèi)星計(jì)劃。

對(duì)于深空探測(cè)和行星探測(cè)任務(wù)，GaAs電池和Si電池都已被使用。距離更遠(yuǎn)的任務(wù)，Si電池(專門(mén)為低太陽(yáng)照度和低溫設(shè)計(jì))是首選的，配有輕質(zhì)量聚光設(shè)備的III-V族化合物單結(jié)或者多結(jié)太陽(yáng)電池也表現(xiàn)良好。對(duì)那些運(yùn)行在太陽(yáng)光輻照量只有地球上1/10情況下的衛(wèi)星，10倍的聚光強(qiáng)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(tái)計(jì)劃的效果圖，使用三結(jié)GaAs電池。

圖1 歐洲的Herschel and Planck太空天文臺(tái)效果圖

1 薄膜太陽(yáng)電池

在眾多種類的太陽(yáng)電池中，Cu(In,Ga)Se2(簡(jiǎn)稱CIGS)薄膜太陽(yáng)電池以其轉(zhuǎn)換效率高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)迅速成為光伏界的研究熱點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的薄膜太陽(yáng)電池之一。目前，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)20%。然而，CIGS吸收層是四元化合物多晶薄膜，沉積工藝較復(fù)雜。在其生長(zhǎng)機(jī)制、材料的化學(xué)物理性質(zhì)以及p-n異質(zhì)結(jié)的物理性能等方面還有很多問(wèn)題沒(méi)有明確。這些也是繼續(xù)提高電池效率需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

與此同時(shí)，CIGS薄膜電池組件的產(chǎn)業(yè)化也迅速發(fā)展。美國(guó)、德國(guó)、日本的公司相繼建立了兆瓦級(jí)生產(chǎn)線，生產(chǎn)的大面積電池組件效率多數(shù)超過(guò)了13%，全球的年產(chǎn)能超過(guò)了1 GW。未來(lái)將重點(diǎn)解決降低成本，提高產(chǎn)品的成品率等問(wèn)題。為此，具有潛在成本優(yōu)勢(shì)的非真空工藝成為新的研究方向。

2 CIGS薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1994 年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)提出了制備高效Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)，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(dǎo)率和合適的結(jié)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)率和光透過(guò)率。p型CIGS和n型CdS及高阻n型ZnO形成了p-n異質(zhì)結(jié)是CIGS薄膜太陽(yáng)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(guò)電子束蒸發(fā)沉積100 nm厚的MgF2減反射膜。最后蒸發(fā)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(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)超過(guò)20%[1]，這種經(jīng)典的電池結(jié)構(gòu)仍然被沿用。

圖2 CIGS薄膜太陽(yáng)電池經(jīng)典結(jié)構(gòu)

與非晶硅、CdTe等薄膜太陽(yáng)電池相比，CIGS薄膜電池具有如下特點(diǎn)：

(1)CIGS薄膜是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，其可見(jiàn)光的吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1量級(jí)，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(yáng)光吸收，降低了原材料消耗。

(2)通過(guò)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(guò)優(yōu)化沉積工藝調(diào)整Ga元素在吸收層中分布可以形成梯度帶隙，使其與太陽(yáng)光譜更加匹配，從提高相應(yīng)的器件性能[2]。

(3)CIGS薄膜太陽(yáng)電池穩(wěn)定穩(wěn)定性好,沒(méi)有光致衰變現(xiàn)象(Staebler Wronski效應(yīng))。日本Showa Shell公司對(duì)11 kW的CIGS電池方陣進(jìn)行了連續(xù)3年的戶外測(cè)試，結(jié)果顯示組件效率沒(méi)有任何衰減。

(4)抗輻射能力強(qiáng)，用于空間飛行器電源很有競(jìng)爭(zhēng)能力。對(duì)安裝了CIGS薄膜電池組件的NASDA微小衛(wèi)星進(jìn)行了模擬宇宙環(huán)境的電子和中子照射實(shí)驗(yàn)，證明了其抗輻射能力遠(yuǎn)高于InP系、GaAs系和Si系太陽(yáng)電池。

(5)CIGS薄膜既可生長(zhǎng)在廉價(jià)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(xù)沉積(in-line process)或卷對(duì)卷沉積(roll-to-roll)，提高了大面積電池組件的生產(chǎn)效率，具有廣闊的發(fā)展空間和產(chǎn)業(yè)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(guān)系到薄膜太陽(yáng)電池的性能。其制備方法主要有蒸發(fā)法、金屬預(yù)置層后硒化或硫化法以及低成本的非真空沉積方法。國(guó)內(nèi)外一些公司基于這些技術(shù)路線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CIGS薄膜電池組件大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)化，或者正在進(jìn)行中試生產(chǎn)和研發(fā)。

(1)多元共蒸發(fā)法

多元共蒸發(fā)法是沉積CIGS薄膜使用最廣泛和最成功的方法，效率超過(guò)18%的CIGS薄膜太陽(yáng)電池都是用這種方法制備的。根據(jù)薄膜沉積過(guò)程中襯底溫度和各金屬源蒸發(fā)速率的變化過(guò)程，多元共蒸發(fā)工藝又分為一步法、兩步法、三步法和在線連續(xù)蒸發(fā)方法。由于蒸發(fā)速率或真空腔室結(jié)構(gòu)的不同，各個(gè)工藝流程的沉積時(shí)間為10～90 min。對(duì)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(yù)置層后硒化工藝

濺射后硒化工藝程序分為預(yù)制層濺射和硒化兩部分。因?yàn)椴捎貌煌奈?，又分為硒化氫硒化法和固態(tài)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(yù)制層，然后在硒化氫或硒蒸氣氛圍中對(duì)其進(jìn)行后處理，得到滿足化學(xué)計(jì)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(zhì)結(jié)的界面復(fù)合，提高器件的開(kāi)路電壓。

濺射后硒化工藝的優(yōu)點(diǎn)是大面積銅銦硒薄膜的均勻性比較容易實(shí)現(xiàn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)，目前在美國(guó)和日本都有濺射硒化法的商業(yè)化生產(chǎn)線。預(yù)制層的濺射通常采用Cu、Ga合金靶與In靶，根據(jù)需要也可以采用兩種不同比例的Cu、Ga合金靶來(lái)控制Ga的含量。大多數(shù)生產(chǎn)線的硒化過(guò)程都采用硒化氫作為硒源，由Ar氣或N2氣攜帶進(jìn)入硒化室進(jìn)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(xiǎn)性大，成本高，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。固態(tài)源硒化法采用固態(tài)硒丸作為硒源，可以不用載氣，安全無(wú)毒，設(shè)備簡(jiǎn)單，具有成本優(yōu)勢(shì)，是近些年來(lái)研究較多的新技術(shù)。但固態(tài)源硒化法在薄膜成分的均勻性、電池的轉(zhuǎn)換效率等方面還存在比較大的問(wèn)題。

(3)非真空沉積方法

非真空沉積方法是指在非真空環(huán)境下完成金屬預(yù)置層的沉積，然后進(jìn)行硒化退火處理。沉積金屬預(yù)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(diǎn)是設(shè)備、實(shí)驗(yàn)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(chǎn)效率和降低成本方面具有優(yōu)勢(shì)。目前，這些技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，中試生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟，在提高產(chǎn)品成品率和重復(fù)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(jìn)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(dǎo)電鹽KCl或KI以及KSCN、檸檬酸等絡(luò)合劑。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)采用一步電沉積工藝，在室溫得到的預(yù)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(tǒng)中補(bǔ)充沉積一定量的In、Ga和Se，將成份調(diào)整到化學(xué)計(jì)量比CuIn0.7Ga0.3Se2，經(jīng)這樣處理后用于制備的太陽(yáng)電池其效率達(dá)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(wǎng)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(shí)，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(diǎn)電池的效率分別達(dá)到8.9%、9.5%和13.6%。

4 CIGS薄膜太陽(yáng)電池研究熱點(diǎn)

CIGS薄膜太陽(yáng)電池實(shí)驗(yàn)室技術(shù)自20世紀(jì)70年代誕生以來(lái)得到迅速發(fā)展，可概括為以下幾方面：(1)在電池結(jié)構(gòu)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(qū)的光伏響應(yīng)；(2)使吸收層帶隙形成雙梯度，加強(qiáng)了長(zhǎng)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(kāi)路電壓，同時(shí)減小了短路電流的損失；(3)共蒸發(fā)三步法的提出優(yōu)化了CIGS薄膜生長(zhǎng)過(guò)程，顯著改善了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)；(4)用堿石灰玻璃替代無(wú)鈉玻璃，玻璃中的Na通過(guò)Mo層擴(kuò)散進(jìn)入CIGS薄膜，鈍化了吸收層中部分點(diǎn)缺陷，提高了吸收層的P型特性，降低了空間電荷區(qū)寬度，提高了電池的開(kāi)路電壓和填充因子。隨著實(shí)驗(yàn)是技術(shù)趨于成熟，CIGS薄膜材料及太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)也在不斷變化，主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)高效率CIGS薄膜太陽(yáng)電池的研究：(2)柔性襯底CIGS薄膜太陽(yáng)電池及組件；(3)無(wú)Cd緩沖層的研究。隨著研究的不斷深入，太陽(yáng)電池將在空間飛行器方面取得更加廣闊的應(yīng)用。

[1]羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)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(duì)太陽(yáng)電池性能的影響[J].人工晶體學(xué)報(bào)，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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲锢砼c化學(xué)電源。