CIGS太阳能电池器件制备及其研究进展

CIGS太阳能电池器件制备及其研究进展张坤2010-01-17内容提要一、CIGS薄膜太阳能电池的发展历程二、CIGS薄膜太阳能电池的结构与制作方法三、CIGS薄膜太阳能电池的研究进展CIGS薄膜太阳电池的研究进展一、CIGS薄膜太阳能电池的发展历程铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池CIGS薄膜太阳能电池是在玻璃或其他廉价衬底上沉积6~7层薄膜，薄膜总厚度为几个微米的化合物半导体光伏器件。CIS基材料的发展历程Hahn最早于1953年合成CIS薄膜材料；1974年，Bell实验室制作出第一块单晶CuInSe2电池，效率为5%。1976年，美国Maine州大学首次开发出薄膜CIS/CdS电池，效率6.6%；1981年，Boeing公司采用蒸发法获得双层CIS/CdS薄膜电池效率达9.5%；采用CdxZn1-xS代替CdS后于1982年获得效率超过10%；1985年开始将CdS厚度从3µm以上减至50nm左右，并引入低阻氧化锌作为窗口层，增强短波响应，这也很快进一步导致发展至目前的经典结构。1988年ARCO采用预制层硒化法获得14.1%的效率。90年代后，NREL发明了三步共蒸发法，此后，小面积CIGS太阳电池的效率纪录一直由NREL保持，目前最高效率为19.9%。17.7%-18.8%-19.2-19.9%一、CIGS薄膜太阳能电池的发展历程二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法除玻璃或其它柔性衬底外，还包括Mo

背电极层、CIGS

吸收层、CdS缓冲层、i-ZnO和ZnO:Al

窗口层、MgF2

减反射层以及顶电极Ni-Al层等七层薄膜。其中p型CIGS和n型CdS及高阻n型ZnO形成p-n异质结是CIGS薄膜太阳电池的核心层。pn二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法

背电极Mo

（0.5~1um）作用：能与CIGS形成良好的欧姆接触,导电性能优越(低电阻)

；玻璃衬底具有良好的粘附性；高度的光学反射性质；Mo对

CIGS成核、生长和晶体结构有着非常重要的作用.二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法NREL实验室的有关人员发现：溅射气压高,电阻率较高，会增加电池的串联电阻，降低短路电流；溅射气压低，Mo层与薄膜的粘附性差，在后期的硒化过程中薄膜容易脱落。沉积两层Mo二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法吸收层（2.5um

）Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有黄铜矿晶体结构。功能：核心部分，构成P-N结，吸收阳光，产生光电流。制备方法：共蒸发、溅射（预置层后硒化）共蒸发溅射（预置层后硒化）二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法OVCOVC分子式为Cu(In1-xGax)3Se5或Cu(In1-xGax)2Se3.5N型

CIGS与CdS之间的异质结变为两个异质结的串联：一个是p-CIGS与n-OVC构成的反型异质结；另一个是n-OVC与n-CdS构成的同型异质结。异质结的p-n结被做在窄带吸收层CIGS里，大大减少了结界面处的缺陷。在CIGS与CdS两个禁带宽度之间形成一个过渡，减小彼此之间的禁带宽度台阶，从而减小了晶格失配,大大改善了异质结的结特性。OVC共蒸发磁控溅射电沉积二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法缓冲层CdS

（50nm）N型高阻、2.5eV、化学水浴法作用：a降低窗口层与吸收层的异质结界面失配；1.xeV-2.5eV-3.3eV

b减少后续工序对吸收层的损害；

c构成PN结。二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法窗口层（i-ZnO-50nm,ZnO:Al（350nm））窗口效应减少了电子空穴对在表面复合所造成的光能的损失，能有效地收集太阳光。i-ZnO高阻构成P-N结3.37eV射频溅射ZnO:Al低阻透明导电>3.37eV射频溅射二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法磁控溅射/共蒸发直流磁控溅射化学浴沉积对靶射频溅射射频溅射热蒸发顶电极的制备采用热蒸发设备，使用掩膜挡住电池，首先蒸发少量的Ni电极，增加电极与薄膜之间的牢固度，然后再蒸发AI电极，最后用银浆引出电极引线。电池制备：二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法组件CIGS光伏组件是由许多宽约5～7mm的条状电池串接而成。三次切割划线完成了各子电池的界定、分割和互联。此三条切割线及其之间的间距均对光电转换效率没有贡献，称之为死区。因此这些线宽和间距应尽量小。组件过程:清洗基底磁控溅射沉积Mo背电极激光划线磁控溅射/共蒸发CIGS吸收层Hamakawa,Yoshihiro:ThinFilmSolarCells,Springer,2004.化学浴沉积CdS机械划线射频溅射窗口层机械划线substrate热蒸发Ni/Al顶电极减反射层二、CIGS薄膜太阳能的结构与制作方法三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展

虽然CIGS薄膜太阳电池的研究取得重大进展，由于材料和器件结构的复杂性，其产业化进程一直比较缓慢。研究人员希望在研究更为低成本高效率的新材料、新工艺甚至是新的理论概念。下面介绍近年来出现的新研究方向的进展情况。

3.1干法过渡层目前广泛采用的CdS缓冲层CBD工艺成本低，性能稳定可靠。但它属于湿法工艺，与整个CIGS太阳电池的干法沉积工艺相比，显得不协调。采用MOCVD系统工艺制备的ZnSe层，效率达11%；德国ZSW采用ALCVD

法沉积的In2S3制备出效率为16.4%的CIGS电池；采用磁控溅射沉积InxS缓冲层，效率达12%；一种新的观点认为可以通过调节窗口层材料直接与CIGS形成异质结，而不再需要缓冲层。实验研究表明，可以采用(Zn,Mg)O来作为缓冲层及透明导电层，能获得12.5%的效率。对于溅射来说，(Zn,Mg)O材料是容易制备的，这使得整个CIGS薄膜太阳电池实现干法工艺成为可能。3.2无Cd工艺

由于Cd会带来与环境污染相关的问题，包括CIGS制备过程和电池的使用过程中，终会发生微量的污染问题，因此最好的方式是发展无Cd工艺。三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展3.3少In、少Ga工艺从原材料的稀缺角度考虑，有人认为In将会限制CIGS薄膜太阳电池的长期发展，电池吸收层中应该尽量少用In和Ga元素，因此需要开展相关替代的吸收层材料研究。采用Cu2ZnSn(S,Se)4

材料作为吸收层的薄膜太阳电池已经实现了7%的光电转换效率；用Al元素代替CIGS中的Ga元素可形成Cu(In1-xAlx)Se2化合物半导体材料。通过改变Al/(Al+In)的比值，禁带宽度在1.0～2.6eV范围内可调。与Cu(In1－xGax)Se2相比，即降低了材料的成本又拓宽了带隙。IEC制备了吸收层为Cu(In1-xAlx)Se2的太阳电池，转换效率达到了16.9%。三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展3.4叠层工艺

效率最高的Cu(In,Ga)Se2

薄膜太阳电池的Ga含量约为28%，禁带宽度为1.15eV，没有达到最佳禁带宽度，存在着太阳光谱的利用损失。单结太阳电池在实现光电转换的过程中，总是存在固有的损失，禁带宽度低的太阳电池，造成开路电压损失；禁带宽度高的太阳电池，会造成电流损失。

解决问题的办法：采取多禁带多结太阳电池的结构，分段利用太阳光谱，实现更高的光电转换效率。Cu(In,Ga)Se2薄膜的Ga含量从0变到1时，禁带宽度可以从1.04eV变到1.67eV，非常适合制成双结太阳电池，CuGaSe2/CuInSe2

双结太阳电池的理论光电转换效率为33.9%。三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展

目前，Nakada等研制的Ag(In0.2Ga0.8)Se2/Cu(In,Ga)Se2(15%Ga)双结太阳电池效率达到8%，通过选择合适的顶电池材料、改善顶电池与底电池的电流匹配、优化顶电池材料特性，Cu(In,Ga)Se2

基叠层电池的光电转换效率有望进一步提高。

CuGaSe2

薄膜太阳电池效率比较低，目前CuGaSe2薄膜太阳电池的最高效率是10.2%，远小于其理论效率26%，将CuGaSe2顶电池的效率提高到16%是目前Cu(In,Ga)Se2

双结太阳电池面临的最大的挑战之一。三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展3.5进一步提高小面积单电池的光电转换效率

进一步提高小电池效率必须从CIGS吸收层材料的基础研究入手。研究者必须深入理解CIGS吸收层材料的多相性、亚稳态和掺杂机制。必须深入研究和理解CIGS薄膜中各类点缺陷对材料导电性和复合机制的影响。尤其是要使实验室研究的高质量CIGS薄膜有效地应用到工业生产中去。进行这些基础研究需要有一些新的测试手段，包括用电子束诱导电流方法(Electron-beam-inducedcurrents)测试结区，用微区光致发光(PL)、微区Raman和导纳谱研究更好地理解材料中的复合机制。三、CIGS薄膜太阳电池的研究进展3.6组件效率的优化从实验研究到大功率组件的产业化生产会遇到许多需要解决的技术问题。首先是大型生产设备的研制和生产线上在线质量监控的实施。其次是目前最先进的生产工艺制作的CIGS组件效率也要比小面积电池低4～5个百分点。小面积电池的最高效率