CIGS太阳电池的工作原理解析

1）CIGS太阳电池是由多层薄膜组成的，它有7层薄膜材料：

①底电极Mo层。

②CIGS吸收层。

③CdS缓冲层（或无镉材料）。

④i-ZnO窗口层（本征氧化锌，高电阻）。

⑤Al-ZnO窗口层（铝掺杂氧化锌，低电阻）。

⑥MgF₂减反射层。

⑦顶电极Ni-Al。

图5-2为CIGS太阳电池的结构。

图5-1 CIGS太阳电池

图5-2 CIGS太阳电池的结构

入射光照射在电池面板玻璃上，进入窗口层和缓冲层，到达吸收层，光生电流主要由吸收层产生。

2）各层的功能如下：

①底电极Mo层具有优良的导电性能，输出太阳电池功率，与玻璃衬底有良好的附着性，同时与CIGS吸收层不发生化学变化。

②CIGS吸收层沉积在钼背电极的上面，厚度约为2.5μm。(www.xing528.com)

③CdS缓冲层厚度为50nm，在低带隙的CIGS吸收层和高带隙的ZnO之间形成过渡，减小了两者之间的带隙台阶和晶格失配，调整导带边失调值，改善pn结质量；防止射频溅射ZnO时对CIGS吸收层的损害；Cd、S元素向CIGS吸收层扩散，Cd元素可以使表面反型，S元素可以钝化表面缺陷。Cd会造成环境污染，这是使用CdS作缓冲层的缺点。

④窗口层在电池的上表层，与上电极一起成为电池功率输出的主要通道。作为异质结n型区，ZnO应有较大的少子寿命和合适的费密能级的位置，而作为表面层则要求ZnO具有较高的电导率和光透过率，因此ZnO分为高、低阻两层。高阻层要薄，取50μm，电阻率为100～400Ω·cm；低阻层要厚，取300～500μm，电阻率为5×10^－4Ω·cm。ZnO是金属氧化物半导体材料，直接带隙，室温时禁带宽度为3.2eV，波长为300～700nm的透过率大于85％。自然生长的ZnO是n型，与CdS都是六方晶系纤锌矿型结构，两者之间有很好的晶格匹配。

⑤太阳电池表面的光反射损失大约在10％，为减少这部分光损失，ZnO：Al表面上用蒸发或溅射法沉积一层MgF₂减反射膜。MgF₂具有以下特性：透明；能很好地附着在基体上；有足够的机械强度；不受温度变化影响；不受化学反应影响；折射率为1.39，ZnO窗口折射率为1.9（薄膜折射率应等于基底材料折射率的二次方根，

减反射层的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产，合适。使得两束

减反射层的基本原理是利用光在减反射膜上、下表面反射所产生的光程差，使得两束反射光干涉相消，从而减弱反射，增加透射。图5-3为减反射膜原理。

被第二个界面反射的光在返回第一个界面时，与第一个界面反射的光之间相差180°，所以前者在一定程度上抵消了后者。

在太阳电池材料和入射光谱确定的情况下，减反射的效果取决于减反射膜的折射率和厚度。减反射层折射率应等于基底材料折射率的二次方根，减反射层的最佳厚度是四分之一波长。减反射层的薄膜材料，通常要求有很好的透光性，对光线的吸收越少越好，同时具有良好的耐化学腐蚀性、良好的粘接性及良好的导电性。采用多层减反膜可增加减反射效果，但设计复杂。

⑥顶电极Ni-Al的厚度为1～2μm，Ni的厚度约为0.5μm。Ni可以防止Al向ZnO扩散，能很好地改善Al与ZnO：Al的欧姆接触。

3）CIGS太阳电池之所以效率高、性能好，主要因为有以下几个特点：

①材料禁带宽度可以在1.04～1.67eV范围内连续调整，因此可见光的吸收系数高达10⁵cm^－1数量级。

图5-3 减反射膜原理

②衬底玻璃为钠钙玻璃，使太阳电池在效率和可靠性上有极大的改进，也导致较大的工艺包容性。20世纪80年代，人们就发现，钠钙玻璃中的钠可以通过Mo电极向CIGS薄膜扩散，从而使钠钙玻璃为衬底的电池性能优于其他衬底的电池性能，明显使薄膜具有更好的表面和更高的电导。其机理尚不很清楚，一种说法是Na量足够大，CuInSe₂中的1／8Cu原子被Na取代，从而吸收层带隙增加0.11eV，即带隙由1.12eV变为1.23eV，带隙增加，太阳电池的开路电压增加。另一种说法是少量Na的掺入形成点缺陷，在CIS表面催化分解O₂成为替代Se空位（浅施主），把它们转化为O_Se，O_Se是一种深能级缺陷，这等于增加了CIGS层的受主浓度，这对CIGS层是很重要的，正是Na的这种作用，使CIGS薄膜对组分的失配的容忍度大大增加。

③Ga元素加入，使吸收层的能隙从1.04eV增加到1.1～1.2eV，同太阳光谱有更好的匹配。

④CIGS的PN结是由P型CIGS膜和N型ZnO／CdS双层膜组成的反型异质结。本征ZnO的存在明显提高电池的开路电压。高效CIGS薄膜太阳电池的吸收层表面都是贫铜的，因而比其他材料呈现更宽带隙。CdS／CIGS结构有合适的能带边失调值（0.2～0.3eV）和很低的晶格失配率。能带边失调值为0.2～0.3eV，CIGS太阳电池具有极好的性能，转换效率高。

⑤CIGS材料属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族半导体，其晶体呈四方黄铜矿型结构，具有直接带能，能隙范围宽，E_g从CuInSe₂的1.04eV到CuGaSe₂的2.4eV，甚至到CuAlS₂的2.7eV，覆盖了绝大部分可见光谱，这使它们适合于作为薄膜光伏的吸收材料。