CIGS薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)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(xiàn)狀和各自的最新進(jìn)展，包括硅基類（非晶硅、多晶硅、微晶硅）、無機(jī)化合物類（碲化鎘、銅銦硒、砷化鎵）、有機(jī)類、染料敏化（二氧化鈦、氧化鋅）等，并從材料、工藝和轉(zhuǎn)換效率等方面比較和討論了它們各自性能的優(yōu)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(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽能電池

引言

近年來，環(huán)境污染和能源衰竭等問題與全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾越來越突出，加上人類對(duì)可再生能源的不斷需求，這樣就促使人們致力于開發(fā)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(yōu)勢(shì)，因此，合理利用好太陽能將是人類解決能源問題的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)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(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管（p-n結(jié)），它利用光伏效應(yīng)原理把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體二極管p-n結(jié)上并被吸收時(shí)，其能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg的光子能把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，同時(shí)價(jià)帶中留下帶正電的空穴，即形成了電子-空穴對(duì)，通常稱其為光生載流子。這些光生載流子在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下迅速分離，電子被掃到電池的n型一側(cè)，空穴被掃到電池的p型一側(cè)，從而在二極管的兩側(cè)分別形成了正負(fù)電荷積累，并產(chǎn)生了“光生電壓”，這就是所謂的“光伏效應(yīng)”（Photovoltaiceffect）。若在p-n結(jié)兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)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(jù)這個(gè)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(dòng)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(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)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(qiáng)度比較弱地區(qū)，其光電轉(zhuǎn)化率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他太陽能電池。當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為0.1mW/cm2時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率為3.12%，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度提高到1.0mW/cm2時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率為7.25%，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度提高到10.1和100mW/cm2時(shí)，光電轉(zhuǎn)化效率分別為11.26%和14.24%，從這幾組數(shù)據(jù)中可以看出，太陽輻射強(qiáng)度無論在何種情況下，CIGS薄膜太陽電池光電轉(zhuǎn)化效率都比較高，這一點(diǎn)也是實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展的主要優(yōu)勢(shì)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(dǎo)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(rèn)環(huán)保性能最好的太陽能電池。1976年美國RCA實(shí)驗(yàn)室的Carlson等，對(duì)非晶硅進(jìn)行研制并首次報(bào)道了非晶硅薄膜太陽能電池，引起了全世界的關(guān)注。非晶硅薄膜太陽能電池之所以受到人們廣泛關(guān)注，是因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕且光吸收系數(shù)高，開路電壓高，抗輻射性能好，耐高溫，制備工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗少，可以淀積在任何襯底上且淀積溫度低、時(shí)間短，適于大批量生產(chǎn)。

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(xué)禁帶寬度為1.7eV，使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長(zhǎng)波區(qū)域不敏感，從而限制了其光電轉(zhuǎn)換效率。（2）光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，即所謂的光致衰退（S-W）效應(yīng)，使得電池性能很不穩(wěn)定。近年來國內(nèi)外對(duì)其的研究主要在于提高光電轉(zhuǎn)換效率和光致穩(wěn)定性，并得到了一些改進(jìn)的方法：采用有不同帶隙的多結(jié)迭層;降低表面光反射;使用更薄的i層。經(jīng)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(shí)光電轉(zhuǎn)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(xué)氣相沉積法（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）和熱絲化學(xué)氣相沉積法（HWCVD）。西班牙巴塞羅那大學(xué)的Villar.F等，在溫度低于150℃的條件下利用HWCVD方法制備出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率達(dá)到8%。目前，穩(wěn)定的單結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到9.5%。我國對(duì)非晶硅薄膜太陽能電池的研究在20世紀(jì)80年代中期達(dá)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(jié)非晶硅薄膜太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到11.4%和6.2%。2000年以雙結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池為重點(diǎn)的硅基薄膜太陽能電池研究被列為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目。鑒于非晶硅薄膜太陽能電池良好的發(fā)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(chǎn)基地，建成后預(yù)計(jì)年生產(chǎn)量達(dá)30MW。

三、CIGS薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)化最新的進(jìn)展

多元共蒸發(fā)法多元共蒸發(fā)法是在高溫真空環(huán)境下進(jìn)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(fā)法制備 CIGS薄膜時(shí)，以 Cu、In、Ga、Se 作蒸發(fā)源，通過使蒸發(fā)時(shí)所揮發(fā)出來的元素沉積在加熱的襯底上，反應(yīng)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(shù)很高，而 Se 的黏附系數(shù)較低且蒸氣壓較高，因此揮發(fā)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(huì)從薄膜表面脫附。如果 Se 供應(yīng)不足，則會(huì)導(dǎo)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(fā)法制備 CIGS 膜。第一步是在 350 ℃左右的 Se 氣氛中蒸發(fā) In 和 Ga，即同時(shí)蒸發(fā) 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(shí)，在 Se 氣氛中蒸發(fā) Cu 直至達(dá)到薄膜生長(zhǎng)所需組成，使薄膜層之間互擴(kuò)散形成微富Cu 的 CIGS 薄膜;第三步是在襯底溫度為 550 ℃左右時(shí)，在 Se 氣氛中再蒸發(fā)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(shù)情況下。其中第三步的蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)了表面 Ga 的梯度分布。快速化學(xué)通道沉積法通過快速化學(xué)通道沉積法制備CIGS薄膜太陽電池中的Zn緩沖層，通過向標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)溶液中添加H2O2作為氧源，提高反應(yīng)的速率，大幅度提升了微粒在化學(xué)通道中的形成，而且還能提高光電轉(zhuǎn)化效率，而且成本比較低，值得大范圍推廣應(yīng)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(cè)試結(jié)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(duì)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(zhuǎn)換效率和一些新的研究成果引起了國內(nèi)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(huì)取得突破性的進(jìn)展。

結(jié)束語：

染料敏化類薄膜太陽能電池及有機(jī)薄膜類太陽能電池的研究?jī)H僅處于初級(jí)階段，在基本原理和一系列關(guān)鍵技術(shù)上仍存在一些問題。盡管如此，隨著技術(shù)的突破，其應(yīng)用前景將會(huì)非常廣闊。雖然化合物半導(dǎo)體材料的太陽能電池具有價(jià)格優(yōu)良、性能良好、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是所用的材料大多有毒，對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染，且多為稀有元素，對(duì)其發(fā)展起到了很大的限制作用，因此不具備長(zhǎng)遠(yuǎn)化生產(chǎn)的能力。微晶硅薄膜太陽能電池低的轉(zhuǎn)換效率和沉積速率直接影響其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。

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