CIGS薄膜太阳能电池及其制备方法【钜大锂电】

前言

近年来，光伏工业呈现加速发展的趋势，发展的特点是：产量增加，转化效率提高，成本降低，应用领域不断扩大。与十年前相比，太阳能电池价格大幅度降低。可以预料，随着技术的进步和市场的拓展，光电池成本及售价将会大幅下降。2010年以后，由于太阳能电池成本的下降，可望使光伏技术进入大规模发展时期。随着技术的进步，薄膜太阳能电池的发展将日新月异，在未来光伏市场的市场份额将逐步提高。作为性能最好的薄膜太阳能电池，CIGS薄膜太阳能电池也将迎来快速发展时期。

1、CIGS电池的结构

铜锢稼硒（CIGS）薄膜太阳能电池，具有层状结构，吸收材料属于I-III-VI族化合物。衬底一般采用玻璃，也可以采用柔性薄膜衬底。一般采用真空溅射、蒸发或者其它非真空的方法，分别沉积多层薄膜，形成p-N结构而构成光电转换器件。从光入射层开始，各层分别为：金属栅状电极、减反射膜、窗口层（Zn0）、过渡层（CdS）、光吸收层（CIGS）、金属背电极（Mo）、玻璃衬底。经过近30年的研究，CIGS太阳电池发展了很多不同结构。最主要差别在于窗口材料的不同选择。最早是用n型半导体CdS作窗口层，其禁带宽度为2.42eV，一般通过掺入少量的ZnS，成为CdZnS材料，主要目的是增加带隙。但是，锅是重金属元素，对环境有害，而且材料本身带隙偏窄。近年来的研究发现，窗口层改用Zn0效果更好，带宽可达到3.3eV，CdS的厚度降到只有约50nm，Zn0只作为过渡层。为了增加光的入射率，最后在电池表面蒸发一层减反膜（一般采用MgFz），电池的效率会得到1-2%的提高。现在研究表明，衬底一般采用碱性钠钙玻璃（碱石灰玻璃），主要是这种玻璃含有金属钠离子。Na通过扩散可以进入电池的吸收层，这有助于薄膜晶粒的生长。

Mo作为电池的底电极要求具有比较好的结晶度和低的表面电阻，制备过程中要考虑的另外一个主要方面是电池的层间附着力，一般要求Mo层具有鱼鳞状结构，以增加上下层之间的接触面积;CIS/CIGS层作为光吸收层是电池的最关键部分，要求制备出的半导体薄膜是p型的，且具有很好的黄铜矿结构，晶粒大、缺陷少是制备高效率电池的关键;CdS作为缓冲层，不但能降低i-Zn0与p-CIS之间带隙的不连续性，而且可以解决CIS和Zn0晶格不匹配问题;n-Zn0（AZO）作为电池的上电极，要求具有低的表面电阻，好的可见光透过率，与Al电极构成欧姆接触;防反射层MgFz可以降低光在接收面的反射，提高电池的效率。i-Zn0和CdS层作为电池的n型层，同p型CIGS半导体薄膜构成p-n结。吸收层CIGS（化学式Cu工nGaSe2）是薄膜电池的核心材料，属于正方晶系黄铜矿。具有复式晶格，晶格常数a=0.577nm，作为直接带隙半导c=1.154nm。体，其光吸收系数高达105量级（几种薄膜太阳能材料中较高的）。禁带宽度在室温时是1.04eV，电子迁移率和空穴迁移率分别为3.2&TImes;102（cm2/V·S）和1&TImes;10（cm2/V·S）。现在真空工艺制备的收层薄膜，一般是多晶结构，其迁移率相对较小，大约是0.1~20（cm2/V·S）。空穴浓度在1014cm-3和4&TImes;1020cm-3之间，电子浓度在5&TImes;1015cm-3到7×1020Cm13范围。通过掺入适量的稼以替代部分In，形成CuInSe2和CuInGa2的固熔晶体，表示为Cu（In1-xGax）Se2（简称CIGS）}嫁的掺入会改变晶体的晶格常数，改变了原子之间的作用力。最终实现了材料禁带宽度的改变，在1.04～1.7eV范围内可以根据设计调整，以达到最高的转化效率。