CIGS太陽能電池專利技術(shù)綜述

張躍

【摘 要】銅銦鎵硒（CIGS）是一種理想的用于制備薄膜太陽能電池的半導體材料，基于銅銦鎵硒（CIGS）材料制作的薄膜太陽能電池是一種最有發(fā)展前景的薄膜太陽能電池，本文對涉及銅銦鎵硒（CIGS）太陽能電池結(jié)構(gòu)和制備方法的專利文獻進行了全面檢索，介紹了CIGS薄膜太陽能電池主要結(jié)構(gòu)和制備方法，以及相關(guān)專利技術(shù)的發(fā)展情況，并對其發(fā)展前景進行了展望。

【關(guān)鍵詞】CIGS；太陽能電池；專利；綜述

中圖分類號： TM914.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.013

【Abstract】CIGS is a perfect semiconductor material for film solar cells.The CIGS-based film solar cell is regarded as a promising future generation of solar cells.This work comprehensive searched for the patent literature of structure and fabricating methods of CIGS solar cells，introduced the structure and fabricating method of CIGS solar cells， and proposed the development of patent technologies.

【Key words】CIGS；Solar cell；Patent；Overview

0 引言

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池，光吸收效率高、戶外性能穩(wěn)定，是目前國際上太陽電池的研究重點，轉(zhuǎn)換效率高達21.7%[1]。銅銦鎵硒（CIGS）是一種四元化合物半導體材料，是一種直接帶隙半導體材料，其可見光波段的吸收系數(shù)高達105/cm量級，只需2微米左右厚度的CIGS薄膜就可以吸收幾乎所有的入射太陽光[2]，是一種理想的用于制備薄膜太陽能電池的半導體材料。

本文以國際分類號（IPC）H01L31/00在德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫（DWPI）、世界專利文摘數(shù)據(jù)庫（SIPOABS）和中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）中檢索。文中數(shù)據(jù)截止到2018年3月1日，包括發(fā)明和實用新型專利。

1 CIGS太陽能電池的發(fā)展

CIGS薄膜太陽能電池光吸收能力強，轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性強，使其成為當前具有很強發(fā)展?jié)摿Φ母咝柲茈姵?。該技術(shù)在國外發(fā)展較早。CIGS薄膜材料由三元CIS薄膜材料發(fā)展而來[1]，1953年Hahn等人首次合成CIS薄膜材料。為了充分利用太陽光譜，自20世紀80年代末期開始人們在CuInSe2材料中摻入Ga和S元素，以提高禁帶寬度，使之與太陽光譜更匹配，獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。美國可再生能源實驗室（NREL）使用了三步共蒸發(fā)法，1994年轉(zhuǎn)換效率達到16.4%。2014年Manz集團將轉(zhuǎn)換效率提升到21.7%。我國CIGS薄膜領(lǐng)域的研究起步較晚，20世紀80年代我國南開大學，以及清華大學等開展了相關(guān)研究[1]。

在專利技術(shù)的申請上，國內(nèi)外主要申請人包括：中國電子科技集團公司第十八研究所，LG伊諾特有限公司，廈門神科太陽能有限公司，財團法人工業(yè)技術(shù)研究院，日東電工株式會社，臺積太陽能股份有限公司，吉富新能源科技（上海）有限公司等。

2 CIGS太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)

CIGS薄膜太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)通常由襯底、背電極層、吸收層、緩沖層、窗口層和頂電極組成[3]。

2.1 襯底

CIGS 薄膜太陽電池所使用到的襯底可分為兩類：一類是剛性襯底，例如鈉鈣玻璃和陶瓷等；另一類是柔性襯底，例如聚酰亞胺和金屬箔片等。CN101061588 A以及CN101330112 A實現(xiàn)了在鋁襯底上制作輕而便宜太陽能電池裝置。鋁箔襯底的使用，能夠極大地降低在這種襯底上的材料費用，獲得成規(guī)模的經(jīng)濟效果。KR1374690B1提供了一種熱膨脹系數(shù)與CIGS層相似的基材，該基材的熱膨脹系數(shù)與CIGS層相似。

CN104425647A公開了一種剛性襯底制備柔性太陽電池的方法，首先制作柔性襯底-剛性襯底構(gòu)成的剛性復合襯底；然后，在剛性復合襯底的柔性襯底上制作柔性太陽電池；最后，將柔性襯底-剛性襯底分離，完成剛性襯底制備柔性太陽電池的過程，其采用柔性襯底-剛性襯底構(gòu)成的剛性復合襯底，利用柔性襯底依靠在剛性襯底上的附著力，高溫時柔性襯底不變形.

2.2 背電極

半導體薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)中，合理選擇背接觸層和背電極是減小背接觸勢壘、形成良好的歐姆接觸、提高開路電壓和填充因子的關(guān)鍵因數(shù)之一。CN103456802采用薄層Ag作為應(yīng)力緩沖層并與Mo薄膜構(gòu)成復合結(jié)構(gòu)。CN10348950A公開了一種復合導電鉬漿，復合導電鉬漿可采用非真空制備技術(shù)來制備銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的背電極。

CN103311331A使用真空濺鍍法在高壓下制作高附著性的鉬背電極，大幅增加銅銦鎵硒太陽能電池的質(zhì)量及生產(chǎn)良率，且提高銅銦鎵硒太陽能電池的短路電流，進而達到生產(chǎn)成本降低及高效率之銅銦鎵硒太陽能電池。CN103489501A采用非真空制備技術(shù)來制備銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的背電極，即采用絲網(wǎng)印刷法或者刮涂法，工藝簡單，降低制造成本。

2.3 吸收層

CIGS吸收層是CIGS太陽電池的核心，制備出高質(zhì)量的CIGS吸收層是獲得高性能太陽電池的關(guān)鍵。CN102623571A利用真空蒸發(fā)鍍膜的方法蒸發(fā)硒化亞銅（Cu2Se）、硒化銦（In2Se3）、硒化鎵（Ga2Se3）粉末，在襯底上形成銅銦鎵硒（CIGS）薄膜。通過改變粉末的比例或蒸發(fā)速率可以方便的實現(xiàn)對CIGS薄膜內(nèi)成分的控制，可以有效的降低CIGS薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本和周期。KR20140010549A通過三步真空共蒸發(fā)法形成用于太陽能電池的CIGS光吸收層，包括：同時真空蒸發(fā)In、Ga和Se的第一步驟；同時真空蒸發(fā)Cu和Se的第二步驟；和真空蒸發(fā)In、Ga和Se的第三步驟。提高深度深的耗盡層的CIGS太陽能電池的效率。CN102943237A采用黃銅礦相的CuIn1-XGaXSe2化合物靶材，避免了傳統(tǒng)的硒化過程中需 要嚴格控制Se源的溫度以及襯底等的升溫或降溫速度，工藝重復性好，過程可控。CN103474511A主動控制鎵在銅銦鎵硒薄膜厚度方向上的分布實現(xiàn)雙梯度能帶分布。

2.4 緩沖層

緩沖層在CIGS系薄膜太陽電池中是很必要而且是關(guān)鍵的組成部分，它與吸收層的失配率大小決定異質(zhì)結(jié)性能是否良好。CN104078521 A用CdS/ZnS雙緩沖層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CdS緩沖層，減少Cd的用量提高生產(chǎn)過程的環(huán)保性；減小電子親和勢，提高開路電壓；提高吸收層和緩沖層之間的晶格匹配性，進而進一步提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。CN105355716A在CIGS層上利用直流磁控濺射方法制備緩沖層即Zn（O，S）層。Zn（O，S）薄膜無毒，不會對制備人員及環(huán)境造成影響，避免了濕法的不利因素，有效利用藍光，增加光譜響應(yīng)范圍，從而提高太陽能電池效率。

2.5 窗口層

傳統(tǒng)的CIGS薄膜光伏電池普遍采用ZnO：Al（AZO）透明電極作為窗口層。ZnO薄膜的制備方法包括采用Zn靶反應(yīng)濺射和采用ZnO陶瓷靶濺射這兩種方法。US2012067422 A1公開了一種的MS1-XOX結(jié)構(gòu)的窗口層，其中，M是由Zn、Sn和In組成的組中的元素。CN104362186 A公開了雙層結(jié)構(gòu)窗口層，包括溶液法制備的納米金屬氧化物和真空濺射法制備的金屬氧化物層。避免了真空濺射過程中對其它功能層表面的破壞，從而有效地降低了界面復合，薄膜光電池的轉(zhuǎn)換效率提高了15%以上。

3 結(jié)語

本文從專利技術(shù)出發(fā)，簡要總結(jié)了現(xiàn)有專利申請中CIGS太陽能電池結(jié)構(gòu)及多種制備方法。雖然國內(nèi)已經(jīng)有大量涉及CIGS薄膜太陽能電池的專利申請，但在CIGS吸收層的制備方法等方面還有著巨大的改進空間。國內(nèi)企業(yè)和科研院所應(yīng)當加大對制備方法、結(jié)構(gòu)和材料等方面加大研發(fā)投入，提高專利申請量和專利質(zhì)量。

【參考文獻】

[1]梁傳志，王朝霞，郭梁雨.銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池發(fā)展概述[J].建設(shè)科技，2015（18）：50-57

[2]ZHANG L， JIANG F D， FENG J Y. Formation of CuInSe2 and Cu（In，Ga）Se2 film by electro deposition and vacuum annealing treatment[J]. Sol Energy Mater Sol Cells， 2003， 80（4）： 483-490.

[3]楊江波，等.CIGS薄膜太陽能電池研究進展[J].電源技術(shù)，2014，38（8）：1587-1590.