銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池的分析進(jìn)展

銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)電池的分析進(jìn)展綜述了國(guó)內(nèi)外銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池的研究現(xiàn)狀；概述了CIGS薄膜太陽(yáng)電池的典型構(gòu)造及其吸收層的材料特性；重點(diǎn)介紹了CIGS薄膜吸收層的制備方法，如多元共蒸發(fā)法、預(yù)置層后硒化法、單靶磁控濺射法、離子束濺射法和電沉積法；最后探討了CIGS薄膜太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題及今后研究方向。

隨著能源危機(jī)及傳統(tǒng)能源對(duì)環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)可再生清潔能源成為世界各國(guó)謀求可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略問(wèn)題之一。其中太陽(yáng)能是取之不盡的理想清潔能源。而光伏發(fā)電就是利用太陽(yáng)能的重要手段之一。近年來(lái)，光伏行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是薄膜太陽(yáng)能電池，因?yàn)樗?jié)省材料、運(yùn)輸成本低、效率高且生產(chǎn)速率高等優(yōu)勢(shì)。其中，銅銦硒(CIS)/銅銦鎵硒(CIGS)為吸收層的薄膜太陽(yáng)電池有望成為新一代太陽(yáng)電池的主流產(chǎn)品之一，而CIGS是在CIS的根底上發(fā)展起來(lái)相同體系的太陽(yáng)能電池，通過(guò)適量的Ga取代In，成為CuIn1-xGaxSe2多晶固溶體，其禁帶寬度可以通過(guò)改變In和Ga的比例來(lái)調(diào)整，所以對(duì)CIS薄膜太陽(yáng)電池的研究重點(diǎn)就轉(zhuǎn)向了CIGS薄膜太陽(yáng)電池。1、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽(yáng)電池國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1974年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Wagner等首先研制出轉(zhuǎn)換效率5%的CIS太陽(yáng)電池，1975年效率到達(dá)12%。1982年，波音公司制備CIS薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率超過(guò)10%。1988年，ARCO公司通過(guò)H2Se硒化濺射的Cu、In預(yù)置層薄膜制備的CIS電池轉(zhuǎn)化效率到達(dá)14.1%。1993，Tarrent等在CuInSe2摻入Ga、S，制備的Cu(In，Ga)(Se，S)2電池效率達(dá)15.1%。1994年，美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(NREL)利用/三步共蒸發(fā)工藝0，制備的CIGS薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)15.9%，20**年提升至19.6%，20**年到19.9%。20**年4月，德國(guó)太陽(yáng)能和氫能研究中心(ZSW)的研究人員宣布其研制的CIGS太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率到達(dá)20**%，8月刷新為20.3%，20**年，瑞士EMPA研發(fā)CIGS光伏電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)20.4%，再次刷新了記錄，預(yù)示著CIGS巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

與國(guó)際上研究開(kāi)發(fā)的力度和規(guī)模相比較，國(guó)內(nèi)對(duì)CIGS薄膜太陽(yáng)能電池的研究相對(duì)落后，但近年來(lái)，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)CIGS太陽(yáng)能電池的熱情很高，相關(guān)資金投入也很大，并且取得了一定的成果。中國(guó)在/8630計(jì)劃中完成了相應(yīng)的中試線開(kāi)發(fā)，南開(kāi)大學(xué)、**大學(xué)、清華大學(xué)共同擔(dān)負(fù)了/銅銦硒太陽(yáng)能薄膜電池試驗(yàn)平臺(tái)與中試線0項(xiàng)目，成功研究出/對(duì)向?qū)\生磁控濺射靶0和關(guān)鍵沉積技術(shù)；裝備了世界最先進(jìn)的測(cè)試儀器，建立了測(cè)試平臺(tái)；以新型高效CIGS構(gòu)造代替了早期的CIS電池構(gòu)造；并且作了CIS太陽(yáng)能電池相關(guān)材料的研究。項(xiàng)目研制出了轉(zhuǎn)換效率為13%的電池，柔性不銹鋼襯底上的轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)9%。20**年6月初，中國(guó)科學(xué)院***先進(jìn)技術(shù)研究院與香港中文大學(xué)合作，采用共蒸發(fā)法成功研發(fā)出的CIGS薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)17%，是目前國(guó)內(nèi)報(bào)道的CIGS太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)換率。2、CIGS薄膜太陽(yáng)電池的構(gòu)造與特點(diǎn)

太陽(yáng)電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)：光照下，pn結(jié)處的內(nèi)建電場(chǎng)使產(chǎn)生的非平衡載流子向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢(shì)，與外路連接便產(chǎn)生電流。CLGS薄膜太陽(yáng)電池是典型的多層膜構(gòu)造：襯底/Mo/CIGS/CdS/-iZnO/ZnO：Al/MgF2/N-iAl，如下列圖1所示。

圖1CIGS薄膜太陽(yáng)電池的典型構(gòu)造

CIGS薄膜太陽(yáng)電池具有以下特點(diǎn)：1CIGS是一種直接帶隙材料，可見(jiàn)光的吸收系數(shù)達(dá)105cm-1數(shù)量級(jí)；o通過(guò)調(diào)節(jié)Ga含量使CIGS禁帶寬度在1.04~1.67eV之間變化；?轉(zhuǎn)換效率高，目前小面積的CIGS薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)到達(dá)20.3%；?抗輻射能力強(qiáng)。?電池穩(wěn)定性好，不會(huì)產(chǎn)生光致衰變現(xiàn)象即沒(méi)有S-W效應(yīng)；?弱光特性好；?技術(shù)成熟后，制備成本和能量?jī)斶€時(shí)間低于單晶Si電池。5、CIGS太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題及今后發(fā)展方向

CIS薄膜太陽(yáng)池自20世紀(jì)70年代誕生以來(lái)，特別是90年代Ga的摻雜，得到了迅速的發(fā)展，并逐漸產(chǎn)業(yè)化，但是還存在著各種問(wèn)題。

(1)CIGS薄膜電池效率的提高

20**年德國(guó)的氫能和可再生能源研究中心(ZSW)刷新了NREL的世界紀(jì)錄，在制備面積為015cm2的CIGS薄膜電池轉(zhuǎn)換效率到達(dá)20.3%。與NREL的19.9%相比，開(kāi)路電壓提高26mV，填充因子降低了3.7%，這說(shuō)明未來(lái)CIGS電池效率還存在提高的空間。因此人們?cè)絹?lái)越重視CIGS薄膜吸收層的多相性、亞穩(wěn)態(tài)和摻雜機(jī)制的研究，深入研究和理解CIGS薄膜中的各類缺陷對(duì)材料導(dǎo)電性和復(fù)合機(jī)制的影響，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率將不斷提高。

(2)柔性襯底材料的選擇

柔性襯底的CIGS薄膜太陽(yáng)電池的突出特點(diǎn)是質(zhì)量比功率高。瑞士EMPA制備的PI襯底CIGS電池效率達(dá)18.7%，而以金屬箔片為襯底的電池效率超過(guò)了17%。種種現(xiàn)象說(shuō)明柔性襯底是未來(lái)發(fā)展CIGS薄膜太陽(yáng)電池的首選襯底。但是由于CIGS生產(chǎn)過(guò)程需要高溫，所以對(duì)柔性襯底材料的選擇也是比較苛刻的。柔性襯底材料需要能耐高溫且穩(wěn)定，同時(shí)襯底與CIGS吸收層的熱膨脹系數(shù)相差要小，化學(xué)穩(wěn)定性較高。所以目前的柔性襯底材料主要有金屬箔和有機(jī)聚合物兩類襯底。相信隨著科學(xué)的進(jìn)步，新材料將會(huì)不斷推出，更加優(yōu)秀且符合要求的材料代替原來(lái)的襯底材料。

(3)大面積CIGS組件

大面積生產(chǎn)CIGS薄膜太陽(yáng)電池面臨著各種問(wèn)題：共蒸發(fā)法雖然在小面積制備上能制備出高效率的CIGS薄膜太陽(yáng)電池，但是大面積卻不行，金屬預(yù)置層后硒化法雖然是大面積生產(chǎn)的首選，但是轉(zhuǎn)換效率卻沒(méi)有共蒸發(fā)法高。雖然CIGS在實(shí)驗(yàn)室的研究中轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)了20%，但是大面積生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率卻不盡人意，組件最高效率17.4%，比小面積低2.9個(gè)百分點(diǎn)。未來(lái)大面積CIGS薄膜電池組件的轉(zhuǎn)換效率仍然有很大的上升空間，產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)目標(biāo)仍然是簡(jiǎn)化工藝流程、提高電池的效率和良率，到達(dá)進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)能、降低成本的目的。

(4)CIGS中In、Ga、Se等稀有元素的代替

CIGS薄膜是由四種元素組成)))Cu、In、Ga、Se，其中的In、Ga、Se都是稀有元素，價(jià)格比較昂貴，這與產(chǎn)業(yè)化的低成本相對(duì)，所以必須尋找其他的富有且廉價(jià)的原材料代替稀有元素。目前國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到并付之行動(dòng)。LouisGrenet等已用Zn和Sn取代In和Ga，S取代部分Se，制備出的Cu2ZnSn(S1-xSex)4效率達(dá)6%。D.AaronR.Barkhouse等制備出Cu2ZnSn(S1-xSex)4效率達(dá)1011%。因此未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是采用大量并廉價(jià)的原材料來(lái)制備薄膜太陽(yáng)電池。

(5)CIGS薄膜太陽(yáng)電池的無(wú)鎘緩沖層

目前高效率CIGS薄膜太陽(yáng)電池的緩沖層是使用CdS，CdS能與CIGS薄膜產(chǎn)生很好的p-n異質(zhì)結(jié)，但是CdS的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的Cd離子是有毒的，對(duì)環(huán)境不友好，從可持續(xù)發(fā)展方面考慮也是不合適的；因此要大力開(kāi)發(fā)無(wú)鎘緩沖層。經(jīng)過(guò)多年的努力，各國(guó)已經(jīng)相繼研究出各種各樣的緩沖層代替材料以及相關(guān)的制備方法，主要的替代緩沖層材料有In2S3，ZnS，Zn1-xMgxO，ZnSe，ZnO，In(OH)3，In2Se3，InZnSex，SnO2，SnS2等，其中采用In2S3，ZnS，Zn1-xMgxO為緩沖層制備的CIGS電池已經(jīng)取得了較高的效率。目前，以ALD--In2S3作為緩沖層CIGS薄膜太陽(yáng)電池組件取得的最高效率是16.4%，以CBD-ZnS為緩沖層的CIGS薄膜太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率到達(dá)18.6%(有效面積小于1cm2)，以ALD-Zn1-xMgxO作為緩沖層含有減反膜的薄膜太陽(yáng)電池獲得的最高效率是18.1%。6、展望

CIGS薄膜太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，取得了相當(dāng)輝煌的成就：小面積的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)20%，大面積組件的轉(zhuǎn)換效率也超過(guò)了15%，并已經(jīng)開(kāi)始