CIGS薄膜太阳电池：结构与特点

CIGS薄膜太阳电池结构如图8．9（a）所示，主要由钠钙玻璃衬底、钼（Mo）金属电极、p型CIGS膜、n型薄CdS或ZnS膜、本征ZnO和n型掺Al的低阻ZnO透明导电膜窗口层组成，在窗口层顶部还需要制备金属栅线（如Ag或者Ni／Al电极）用于收集电流，减反射膜（如MgF2）可以增强太阳光的利用率，提高太阳电池的转换效率。如图8．9（b）所示为高效率CIGS薄膜太阳电池剖面SEM图，其中CIGS光吸收层是影响电池光电转换效率的关键材料。

图8．9　CIGS薄膜太阳电池结构示意图（a）和CIGS太阳电池断面SEM图像（b）

在CIGS薄膜太阳电池产业化发展过程中，由于各公司的技术线路不同，因此太阳电池的结构和制备工艺与实验室中的结构［见图8．9（a）］也略有不同。图8．10总结了目前几种具有代表性的CIGS组件结构［39］。

(www.xing528.com)

图8．10　产业化CIGS薄膜太阳电池的工艺流程［39］。SLG玻璃为钠钙玻璃，SS为不锈钢柔性衬底

大部分CIGS光伏企业都采用玻璃作为衬底材料，少数公司（例如Global Solar 和Solarion）采用不锈钢和聚酰亚胺（PI）等柔性材料作为衬底，因为柔性衬底有利于实现卷对卷工艺（roll to roll process），可以进一步降低成本，提高生产效率。产业上对CIGS薄膜太阳电池的光伏组件要实施串联集成，在沉积CIGS层之前，为子电池的内部串联提供通路，分离每个电池的背电极，需对Mo层采用激光刻划的方法进行布线图形制作。在CIGS层制备方面，Würth Solar和Global Solar采用多源共蒸发的方法；其他公司则采用后硒化、硫化方法，其中Showa Shell采用H2S进行表面硫化（sulfurization process），制备CIGS／CIGSS吸收层结构；而Sulfurcell直接采用溅射Cu、In金属预制层后进行硫化处理技术制备的CuInS2宽带隙材料作为吸收层，也取得了很高的转换效率。在缓冲层上，化学水浴法制备的CdS技术相对比较成熟，被大多数CIGS企业所采用，但由于Cd的毒性，不利于环境，因此Showa Shell和Honda Soltec分别采用Zn（S，OH）x和In2S3作为缓冲层（buffer layer）取代了有毒的CdS。在缓冲层沉积完成之后，为沉积TCO电池间的串联导电通道做准备，需对缓冲层采用机械刻划的方法（也有少数公司如：松下电器产业公司采用激光刻划）进行布线图形的制作。在窗口层中，一般CIGS电池企业都采用相对廉价的ZnO：Al作为TCO，但也有些公司采用掺硼的ZnO作为TCO，以提高窗口层的透光率和导电率。最后在TCO层采用机械刻画的方法进行布线图形的制作，以便分离每个子电池［39］。

CIGS薄膜具有宽带隙和高光吸收系数的特点，如图8．2所示，决定了CIGS太阳电池具有一些特殊性：①禁带宽度可调。CIGS禁带宽度可依据Eg（CIGS）＝（1－x） Eg（CIS）＋xEg（CGS）－bx（1－x）公式进行调控［40］，其中x为Ga的含量，1－x为In的含量，b为光学弯曲系数，它取决于制备方法和材料的结构特征，一般位于0．15～0．24之间。通过改变Ga的含量，可获得适于制备太阳电池具有最佳能带结构的CIGS材料。例如，为增强光生电流和开路电压需要提供良好的背表面电场效应，在膜厚方向调整Ga的含量，使价带倾斜形成梯度带隙半导体，从而扩大从红外到可见光光谱响应范围，加宽薄膜表面处的禁带宽度，形成V字形双禁带结构［41］。CIGS材料的能带调控工程，是Si系和CdTe系材料所没有的优点。而且最佳禁带1．3eV的CIGS太阳电池光电转换效率可达33%［42］；②吸收系数高。CIGS是直接带隙材料，光吸收系数高达6×105 cm－1，如图8．2所示，这是到目前为止所有光伏级半导体材料中的最高值，对于太阳电池基区光子的吸收、少数载流子的收集非常有利，即吸收层的厚度只要1～2μm就足够吸收大部分的太阳光，降低了昂贵原材料的消耗并减轻了光伏组件重量；③Na元素掺杂效应。对于Si系半导体，钠（Na）等碱金属元素的不稳定性极易恶化器件性能，但在CIGS系中，少量的Na掺杂有利于提高CIGS电池性能［43］，至于Na元素在CIGS薄膜生长过程中所起的作用现在尚未有定论。A．Rockett［44］等人认为在CIGS薄膜生长过程中，Na是以Na2Sex的形式存在于CIGS晶界，Na2Sex延缓了薄膜的生长速度而有利于Se的扩散，并且使晶粒尺寸增大、晶界缺陷钝化。为此使用钠钙玻璃作为CIGS的基板，除了成本低，膨胀系数相近以外，还有Na掺杂效应的考虑。在CIGS中，适量的引入氧（O）可以提高VOC，减少太阳电池漏电，是获得高效率CIGS电池的常用工艺［45］。其原理是O可钝化晶界中及CIGS／CdS界面处的VSe缺陷［46］，减少了载流子在晶界的复合几率，增加VOC。但过量的O会大量减少薄膜表面和CIGS／CdS界面处的，增加界面复合和降 低VOC，导致太阳电池的性能降低。

此外CIGS薄膜太阳电池性能稳定，没有光致衰退现象（SWE），光照甚至会提高CIGS的转换效率；具有良好的抗干扰、抗辐射能力，适合于空间应用。弱光特性好，在阴雨天也有较高的输出功率，外观柔和、均匀的黑色适用于光伏建筑上。