铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池研究

铟矿资源报道之二——铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池行业一、薄膜电池行业概述由于晶体硅电池成本长期处于高位，业内一直通过提升电池转换效率、降低硅片切割厚度等技术来降低成本。

与此同时，薄膜电池作为第二代太阳能电池逐渐受到行业关注并增长迅速。

图1：光伏电池分类关于光伏电池未来的发展趋势：晶体硅电池随着工艺的不断改进、成本的持续下降，短期内依然处于主导地位。

而薄膜涂层电池由于其低成本的特点，其在转换效率方面还有提升的空间，未来市场份额势必会有明显的增长。

而从市场预测情况来看，未来薄膜电池中CIGS薄膜电池的增速最为明显。

1 CIGS 薄膜电池概况CIS是CuInSe2的缩写，是一种Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族三元化合物半导体材料。

由于它对可见光的吸收系数非常高，所以是制作薄膜太阳电池的优良材料。

以P型铜铟硒(CuInSe2)和N型硫化镉(CdS)做成的异质结薄膜太阳电池具有低成本，高转换效率和近于单晶硅太阳电池的稳定性。

近年研究将Ga替代CIS材料中的部分In，形成CuIn1-xGaxSe2(简称CIGS)四元化合物。

由ZnO/CdS/CIGS结构制作的太阳电池有较高的开路电压，转换效率也相应地提高了许多。

CIGS电池在实验室已经达到19.9%的转换率，远高于其他薄膜电池。

二、CIGS薄膜电池优势1 薄膜电池的低成本优势所在，相对于晶硅电池材料成本便宜薄膜电池相对于晶硅电池最大的优势在于成本，在前几年多晶硅价格处于高位的时候，薄膜电池的成本优势更为明显。

通过我们前面的分析也可以看出，即使在近期多晶硅大幅下降的情况下，薄膜电池的成本优势依然明显。

CIGS薄膜电池具备相对于晶硅电池的成本优势，CIGS电池采用了廉价的玻璃做衬底，采用溅射技术为制备的主要技术，这样Cu，In，Ga，Al，Zn的耗损量很少。

而对大规模工业生产而言，如能保持比较高的电池的效率，电池的价格以每瓦计算会比相应的单晶硅和多晶硅电池的价格低得多。

另外，我们前面一直讨论的是光伏电站的初始建站成本，实际薄膜电池的弱光效应是其由于晶硅电池的另一大优势。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池技术综述一、薄膜太阳电池概术铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池由于效率高、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低廉等特点，是备受人们关注的一种新型光伏电池产品，经过近30年的研究和发展，其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高的。

而且其光谱响应范围宽，在阴雨天条件下输出功率高于其他任何种类太阳电池，因而成为最有前途的光伏器件之一。

铜铟镓硒CuInSe2（简称CIS）薄膜材料是属于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2族化合物直接带隙半导体，光吸收系数达到105量级，薄膜厚度约为1-2μm就能吸收太阳光，其禁带宽度为1.02eV。

通过掺入适量的Ga元素以代替部分的In，成为CuInSe2与CuGaSe2（简称CGS）的固溶半导体CuIn1-xGaxSe2（简称CIGS）。

CIGS电池在制作过程中，通过控制不同的Ga掺入量，其禁带宽度可在1.02-1.67eV范围内调整，这就为太阳能电池的带隙优化提供了很好的途径。

二、国内外研究现状（一）国外研究进展CIGS薄膜太阳电池材料与器件的实验室技术在发达国家趋于成熟，大面积电池组件和量产化开发是CIGS电池目前发展的总体趋势，而柔性电池和无镉电池是近几年的研究热点。

美国国家可再生能源实验室（NREL）在玻璃衬底上利用共蒸发三步工艺制备出最高效率达19.9%的电池。

这种柔性衬底CIGS太阳电池在军事上很有应用前景。

近期，CIGS小面积电池效率又创造了新的记录，达到了20.1%，与主流产品多晶硅电池效率相差无几。

美国NREL和日本松下电器公司在不锈钢衬底上制备的CIGS电池效率均超过17.5%；瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的科学家AyodhyaN.Tiwari领导的小组经过多年努力，完善了之前开发的柔性不锈钢衬底太阳能电池，实现了18.7%的效率。

由美国能源部国家光伏中心与日本“新能源和工业技术开发机构（NEDO）”联合研制的无镉CIGS电池效率达到18.6％。

d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.022铜铟镓硒薄膜太阳能电池激光刻划及串联技术研究王昌华,朱登华,张鑫根,贺琦琦,陈 涛,张 威(凯盛光伏材料有限公司,蚌埠233010)摘 要: 为了提高C I G S 薄膜太阳能电池转换效率,加快工业生产进程,该文重点介绍了优质的C I G S 薄膜太阳能电池激光刻划技术,阐述了最优子电池宽度理论计算方式和选择依据㊂关键词: C I G S ; 激光刻线; 最优子电池R e s e a r c ho nL a s e r S c r i b i n g a n dS e r i e sT e c h n o l o g i e s o f C I G ST h i n -f i l mS o l a rC e l lWA N GC h a n g -h u a ,Z HUD e n g -h u a ,Z HA N GX i n -g e n ,H EQ i -q i ,C H E NT a o ,Z HA N G W e i (T r i u m p hP h o t o v o l t a i cM a t e r i a l sL t dC o ,B e n g b u233010,C h i n a )A b s t r a c t : I no r d e r t o i m p r o v e t h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y f o rC I G S t h i n -f i l ms o l a r c e l l a n d s p e e du p t h e p r o c e s s o f i t s i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ,t h e p a p e r f o c u s e s o n t h e i n t r o d u c t i o no f h i g h -q u a l i t y C I G S t h i n -f i l ms o l a r c e l l l a s e r s c r i b i n g t e c h -n o l o g y ,a n de x p o u n d s t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o da n d s e l e c t i o nb a s i s o f t h e o p t i m a l s u b -c e l lw i d t h .K e y w o r d s : C I G S ; l a s e r s c r i b i n g ; o p t i m a l s u b -c e l l 收稿日期:2022-06-08.作者简介:王昌华(1977-),高级工程师.E -m a i l :w c h @t pv m.c o m.c n 受到地球暖化衍生的环保问题,以及化石燃料(石油㊁煤炭及天然气等)资源有限的危机所影响,利用太阳能发电将成为人类未来能源的必然选择㊂目前国内光伏市场主要以晶硅电池为主,但硅料制造过程存在高污染㊁高能耗等问题,高性能薄膜光伏技术研发逐渐成为热点[1,2]㊂其中,C I G S 薄膜电池因其理论效率高(高达33%)㊁弱光(散射光)性能好(吸收系数可达105c m -1数量级)㊁材料消耗少(核心层厚度<3μm )㊁生产能耗低等特点逐步扩大了应用领域,其中玻璃基C I G S 薄膜电池具有外观均一㊁颜色可调以及抗震性好等优势,能完美的契合光伏建筑一体化(B u i l d i n g I n t e g r a t e dP h o t o v o l t a i c ,B I P V )㊁屋顶发电㊁移动能源以及其他特殊领域等对太阳能电池的要求,在光伏发电领域日益受到重视[3-5]㊂在薄膜太阳能组件生产工艺中,刻线是把连续的膜层细分为单个的子电池,然后在单个电池之间建立串联连接的结构[6];刻线的数量及结构,可根据薄膜太阳能电池的性能以及市场的具体需求设计㊂该文主要针对C I G S 薄膜太阳能电池的刻线工艺进行试验研究,结合最优子电池宽度,获得最优激光刻线并应用于规模化生产㊂1 材料和方法该文所涉的基板尺寸为1583mmˑ660mm 普通浮法玻璃㊂P 1刻线是利用1064n m 皮秒低频激光设备完全分隔M o 电极,并保证阻挡层和薄膜不能被刻蚀消融㊂P 2刻线是利用1064n m 皮秒高频激光设备分隔C I G S 吸收层,保证前电极T C O 与背电极M o 形成良好接触㊂P 3刻线是利用机械刻划设备完全分隔前电极T C O ,如图1所示㊂主要测试设备:3D 显微镜,万能表,恒流源㊂38建材世界 2022年 第43卷 第4期2 实 验2.1 激光刻线概述产线激光设备相对实验激光设备更加精密复杂,需要更高的系统集成㊂在工业生产中,不仅要获得理想的激光刻线效果,还得保证快速生产㊂一般采用多个激光头同时加工,即在同样的工艺参数下,多个激光头需具备相同的加工性能,整个大尺寸基板上所有刻线均匀,这对刻线系统及工艺调试提出了很高要求㊂图2是某种薄膜太阳能电池激光刻划系统结构示意图,含9个激光头㊂激光加工方式有从衬底方向和从镀膜面方向入射刻划㊂实验证明,激光束从衬底面入射刻划优于从镀膜面方向入射刻划,主要表现在以下几个方面:一是可以避免等离子体屏蔽现象,因为入射激光不经过等离子烟羽形成的区域[7];二是消融所需要的能量低,由于爆炸过程的参与,去除材料时不需要将所有材料都热蒸发;三是由于消融所用激光能量小,热影响区也随之减小㊂2.2 P 1刻线技术钼(M o )是一种特殊的材料,在C I G S 薄膜太阳电池的背电极材料中具有不可替代的作用㊂其熔点很高,高达2912K ,而且不透光,具有很强的金属性㊂P 1的目的是完全去除M o 电极,保证子电池高绝缘,优选从衬底方向入射进行P 1刻线加工㊂根据C I G S 产品性能确定需求P 1刻线宽度㊂激光器选定后,波长㊁激光光束质量㊁焦距为固定值㊂依据式(1)调节激光扩束镜,可获得所需要的聚焦光斑直径㊂d =4㊃λ㊃M 2㊃f π㊃D =4㊃1064㊃1.1㊃1003.14㊃3=50μm (1)式中,d 为焦点上的激光光斑直径,λ为激光波长,M 2为激光光束质量因子,f 为焦距,D 为聚焦前的激光光束直径㊂该文采用波长为1064n m 的激光器,激光光束质量M 2为1.1,焦距f 为100mm ,D =3mm ,获得所需的50μm 聚焦光斑㊂如工业生产中,整个工厂的节拍固定,为了满足节拍需求,刻划速度一般为固定值,该48建材世界 2022年 第43卷 第4期文所用设备的刻划速度为1.5m /s ㊂可根据式(2)计算出所需要的重复频率F ,最后根据具体加工基板厚度优化激光焦点位置,可快速获得理想的P 1刻线,见图3㊂O v e r l a p =1-u F ㊃d(2)其中,u 为刻划速度,F 为重复频率,d 为聚焦光斑直径,O v e r l a p 为重复叠率,P 1刻线在20%~30%为佳㊂2.3 P 2刻线技术P 2刻线的目的是去除掉C I G S ,形成良好的前电极㊁背电极连接通道㊂C I G S 层沉积在M o 电极上,只能选择从镀膜面方向入射刻划㊂C I G S 厚度为1.5~1.8μm ,需要层层剥离掉,为了避免等离子体屏蔽现象,该文选择15p s 的高频激光器进行P 2刻化㊂图4是P 2刻线3D 效果图,刻线完全暴露M o 背电极,沟槽无残留的C I G S ,内宽约为11μm ,刻线边缘有不可避免约5μm 的熔融区域,但不会影响P 2刻线质量㊂为了评估P 2刻线沟槽的质量,我们通过互联测试结构(I T S )确定了A Z O /M o 界面接触电阻,I T S 的设计及原理,如图5所示㊂每个单元包含两个P 2沟槽,由一个P 1沟槽隔开,一个电池的两个P 2沟槽之间的58建材世界 2022年 第43卷 第4期距离(b )可变化㊂电流通过钼层注入,并从第一P 2沟槽流过A Z O 层到达第二P 2沟槽,在两个单电池之间测量电压,通过式(3)计算评估P 2刻化电学性能R =U /I =R (Z n O )+2㊃R (P 2)+R (M o )(3)接触针之间的电压降取决于A Z O 层的电阻和M o /A Z O 界面的接触电阻㊂M o /A Z O 界面的接触电阻为固定值,随着Z n O 路径的长度b 变化,可以拟合出电压降相对于P 2-P 2沟槽距离线性图如图6所示㊂当b =0,拟合曲线与y 轴交点值,即M o /A Z O 界面的接触电阻㊂传统的机械刻划电压降约为12m V [8],该文使用的激光刻划技术使电压降为6m V 左右,因此,皮秒激光高频工艺技术不仅可以提供良好的界面接触电阻,也可以极大的降低刻线宽度,为减少 死区 宽度提供有利基础㊂2.4 子电池串联技术电池的串联区域(即P 1㊁P 2和P 3所在区域)通常也叫做 死区 ,这是由于该区域不对光生电流做出贡献,如图7所示㊂图7中分别标识出了P 1,P 2和P 3刻线的位置;死区宽度是W d ,有源区的宽度是W a ㊂子电池面积越小,产生的电流也就越小,从而太阳电池内部的电阻性损耗就越低㊂然而,减小子电池面积而增加子电池数目的同时,用于电池连接的 死区 面积也会随之增加㊂所以,对于太阳电池组件的效率存在一个最佳子电池宽度,即组件的电阻性损耗和 死区 损耗总和最小㊂1979年文献第一次报道了非晶硅薄膜电池组件的单片串联方法㊂在此理论的基础上演算出适用于C I G S 薄膜太阳能电池最优子电池宽度的计算公式P t o t a l =W d W a +R T C O J m p p V m p p w 2a 3(3)式中,P t o t a l 为单节电池损失的功率;W d 为 死区 宽度;W a 为电池有源区宽度;J m p p 为子电池的电流密度;V m p p 为电池的工作电压;R T C O 为前电极的方阻㊂可根据C I G S 电池性能参数,根据式(3)计算出理论的C I G S 薄膜太阳电池的最优子电池宽度,如图8所示㊂68建材世界 2022年 第43卷 第4期从图8中可以发现理论的C I G S 薄膜太阳能电池的最优子电池宽度在3.8mm ,但在最优子电池宽度附近区域(3.2~4.7mm ),电池的功率损失相差较小㊂在实际生产中,子电池宽度越小对 死区 的要求越苛刻,而且为了满足生产节拍的要求,会倾向选择子电池偏宽,目的是为了减少刻线的数量,减少生产节拍,降低单片电池整体开路电压㊂该文选择的最优子电池宽度为4.5mm (有源区W a 4.3mm +死区W d 0.2mm=4.5mm ),保证最优功率的同时,增加产能㊂3 结 语该文提供了优质的C I G S 薄膜太阳能电池P 1&P 2工业生产刻线技术,并结合现有C I G S 工艺技术路线,阐述了最优内部串联结构的理论依据,为C I G S 薄膜太阳能电池进一步发展提供有力帮助㊂参考文献[1] 倪 萌,L e u n g M K ,S u m a t h y K.太阳能电池研究的新进展[J ].可再生能源,2004(2):9-11.[2] 王 波,刘 平,李 伟,等.铜铟镓硒(C I G S )薄膜太阳能电池的研究进展[J ].材料导报,2011,25(19):54-58.[3] V i r t u a n iA ,L o t t e rE ,P o w a l l aM.P e r f o r m a n c e o fC u (I n ,G a )S e 2So l a rC e l l sU n d e rL o wI r r a d i a n c e [J ].T h i nS o l a rF i m s ,2003,431-432:443-447.[4] 鲁 飞,刘小鱼,孙良成,等.C I G S 薄膜太阳能光伏产业发展现状[J ].材料导报,2014,28(19):58-61.[5] 杨 洋,张 婧.铜铟镓硒薄膜太阳能电池产业发展综述[J ].科技息,2013(19):53-55.[6] 李 铁.激光在非晶硅薄膜太阳电池制造中的应用[J ].半导体行业,2009(2):49-51.[7] 苦史伟.纳秒U V 激光在薄膜太阳电池中膜面划线的研究[D ].上海:上海交通大学,2012.[8] G e r h a r dH e i s e ,A n d r e a sH e i s s .U l t r a f a s tL a s e r s I m p r o v e t h eE f f i c i e n c y o fC I ST h i nF i l m S o l a rC e l l s [J ].P h y s i c sP r o c e -d i a ,2012,39:702-708.(上接第72页)[2] C u iW e n t i a n ,W uK u a n g h u a i ,C a i X u ,e t a l .O p t i m i z i n g G r a d a t i o nD e s i g n f o rU l t r a -t h i nW e a r i n g C o u r s eA s p h a l t [J ].M a t e -r i a l s (B a s e l ,S w i t z e r l a n d ),2020,13(1):189.[3] 时成林,李荣越,宋文祝.橡胶沥青B F S MA 设计指标与路用性能研究[J ].公路,2021,66(1):353-357.[4] 何俊辉,陈海涛,赵艳娜,等.基于灰关联法的沥青路面抗滑性能影响因素研究[J ].中外公路,2020,40(6):47-52.[5] G G A l -K h a t e e b ,A r o o nS h e n o y .M i x t u r e -p r o p e r t y -i n d e p e n d e n tA s p h a l t F i l m T h i c k n e s sM o d e l [J ].M a t e r i a l sT o d a y C o m -m u n i c a t i o n s ,2017,11:7.[6] 徐瑞刚,林 俊,吕 延,等.国内外排水沥青混合料试验方法对比[J ].中外公路,2020,40(6):253-257.78建材世界 2022年 第43卷 第4期。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究现状及发展趋势陈裕佳指导教师：杨春利(西安建筑科技大学华清学院材料0904 01号)摘要：介绍了薄膜太阳能电池结构、性能特点以及目前在研究和生产过程中铜铟镓硒电池的制备方法；阐述了铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术的优点，及其存在的问题和未来的前景。

关键词：铜铟镓硒，太阳能电池，薄膜Research Progress and Development Tendency of Cu(In，Ga)Se2(CIGS)Thin Film Solar CellsChen Yu Jia tutor：Yang Chun Li(Xi'an University of Architecture and T echnology Huaqing College) Abstract：The constructions and performance characteristics of thin film solar cells based on Cu(In+Ga)Se2 are introduced，including their fabrication and technological processes．A brief description of technological advantages，and the problem and prospect in the future on CIGS。

Keywords：Cu(In，Ga)Se2，solar cell，thin film1 概述第三代太阳能电池就是铜铟镓硒CIGS（CIS中掺入Ga）等化合物薄膜太阳能电池及薄膜Si系太阳能电池。

学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。

第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点，光电转换效率居各种薄膜太阳电池之首，接近于晶体硅太阳电池，而成本只是它的三分之一，被称为下一代非常有前途的新型薄膜太阳电池，是近几年研究开发的热点。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长，传统能源资源的枯竭和环境问题的日益严重，寻找清洁、可再生的能源已成为人类社会发展的迫切需求。

太阳能作为一种无限、无污染的可再生能源，越来越受到人们的关注。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池作为一种高效、低成本的太阳能电池技术，在近年来得到了广泛的研究和应用。

本文旨在全面深入地探讨铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究现状、发展趋势以及面临的挑战，以期为相关领域的研究者和技术人员提供有益的参考和启示。

本文将对铜铟镓硒薄膜太阳能电池的基本原理和性能特点进行详细介绍，以便读者对其有一个清晰的认识。

然后，本文将重点分析铜铟镓硒薄膜太阳能电池的研究进展，包括材料制备、结构设计、性能优化等方面，以及目前面临的主要问题和挑战。

在此基础上，本文将探讨铜铟镓硒薄膜太阳能电池的未来发展趋势，包括新型材料、新工艺、新技术等方面的研究和应用前景。

本文还将对铜铟镓硒薄膜太阳能电池在可再生能源领域的应用价值和前景进行展望，以期为推动该领域的发展提供有益的参考。

二、铜铟镓硒薄膜太阳能电池的基本原理与结构铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是一种基于多元金属硫化物吸收层的光伏器件，具有高效、低成本和环境友好等特点。

CIGS太阳能电池的基本原理是光电效应，即太阳光照射到电池表面时，光子被吸收层中的金属硫化物吸收并激发出电子-空穴对，这些载流子在电池内部电场的作用下分离并收集，从而产生光生电流。

透明导电层：通常采用氟掺杂氧化锡（FTO）或铟锡氧化物（ITO）等透明导电材料，用于收集光生电子并传输到外电路。

CIGS吸收层：是电池的核心部分，由铜、铟、镓和硒等元素组成的多元金属硫化物，具有较宽的吸收光谱和较高的光电转换效率。

缓冲层：位于CIGS吸收层与透明导电层之间，通常采用硫化镉（CdS）或硫化锌（ZnS）等材料，用于减少界面复合和提高电池性能。

金属背电极：通常采用铝（Al）或银（Ag）等金属材料，用于收集光生空穴并传输到外电路。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池的发展现状以及应用前景
铜铟镓硒（Copper indium gallium selenide，简称CIGS）是一
种多元化合物，具有很高的太阳能转化效率和较低的制造成本，因此在太阳能电池领域具有广阔的应用前景。

CIGS薄膜太阳能电池的发展现状：
1. 高效率：CIGS太阳能电池在太阳光转化效率方面有很大优势，实验室内已经达到了记录级的2
2.9%的转化效率。

2. 高稳定性：CIGS太阳能电池的稳定性得到了显著提高，可
以在长时间的使用中保持高效率。

3. 制造成本下降：CIGS太阳能电池的制造成本较低，尤其是
相对于传统的硅太阳能电池来说，具有更低的材料成本和制造工艺成本。

4. 柔性：CIGS太阳能电池可以制备成柔性薄膜，适用于各种
形状的曲面和可弯曲应用场景。

CIGS薄膜太阳能电池的应用前景：
1. 太阳能电池板：CIGS薄膜太阳能电池板可以应用于建筑物
表面、车顶、广告牌等空间有限的地方，充分利用阳光资源。

2. 移动设备：CIGS薄膜太阳能电池可以制成柔性薄膜，适用
于手机、平板电脑等移动设备的充电，提供便捷的电力来源。

3. 无人机和航天器：CIGS薄膜太阳能电池的高效率和轻量化
特性使其成为无人机和航天器的理想能源来源，延长了使用时间和行程。

4. 农业和农村电力供应：CIGS薄膜太阳能电池可以在农田上
布置，为农业用电提供清洁能源，同时可以解决农村地区的电力供应问题。

总的来说，CIGS薄膜太阳能电池具有高效率、低成本、柔性和广泛的应用领域，未来有望在太阳能电力领域取得更大的发展。

CIGS电池技术分析本文主要阐述铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的研究进展，概述了CIGS薄膜太阳能电池的薄膜构成及特性。

介绍了CIGS薄膜吸收层的制备技术，如多元共蒸发法、溅射后硒化法及缓冲层的制备技术。

1、CIGS薄膜太阳电池的结构及性能特点CIGS是一种半导体材料，是在通常所称的铜铟硒(CIS)材料中添加一定量的ⅢA族Ga元素替代相应的In元素而形成的四元化合物。

鉴于添加Ga元素后能适度调宽材料的带隙，使电池的开路电压得到提高，因此，近年来CIGS反而比CIS更受关注。

本文中描述的CIGS和CIS将具有同等意义。

单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不可撼动的地位，作为硅太阳电池，只是它诸多的重要应用之一。

与硅系太阳电池在材料性质上有所不同的是，CIGS属于化合物半导体范畴。

固体物理学的单晶硅金刚石型晶体结构和CIGS黄铜矿型晶体结构如图1所示。

图1：:晶硅金刚石结构和CIGS黄铜矿结构太阳电池的基本原理是光生伏特效应:光照下，pn结处的内建电场使产生的非平衡载流子向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，与外路连接便产生电流单结CIGS薄膜太阳电池的基本结构由衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、减反层、电极层组成。

典型的CIGS薄膜太阳电池的结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/i-ZnO/ZAO/MgF2，如图2所示。

图2CIGS是一种直接带隙材料，对可见光的吸收系数高达105(cm-1)，优于其他电池材料。

对比图3中的各种薄膜电池材料吸收系数的曲线，可知CIGS材料的吸收系数最高。

CIGS薄膜电池的吸收层仅需1～2mm厚，就可将阳光全部吸收利用。

因此，CIGS最适合/做薄膜太阳电池，其电池厚度薄且材料用量少，大大降低了对原材料的消耗，减轻了In等稀有元素的资源压力。

除了材料上的有点之外，CIGS薄膜太阳能电池还具有抗辐射能力强、发电稳定性好、弱光发电性好、并且转换效率是薄膜太阳能电池之首，目前室内转换效率可达20%。

CIGS薄膜太阳能电池的研究及制备摘要：CuIn1-xGaxSe2（CIGS）薄膜太阳能电池以其效率高、稳定性强、耐辐射、耗材少等众多优点成为近些年太阳能电池领域的研究热点。

这种电池的性能主要由吸收层 CIGS薄膜的质量决定，目前其主要制备方法有：共蒸发法、金属预置层后硒化法、电沉积法和喷雾高温分解法等，然而由于 CIGS 薄膜结构复杂，结晶成膜要求条件较高，以共蒸发法和金属预制层后硒化法为主的制备方法还存在着各种各样的问题，阻碍了其产业化的进程。

本文利用磁控溅射方法制备了 CIGS 薄膜太阳能电池各层薄膜，研究了溅射的工艺参数以及退火温度对薄膜结构和各种性能的影响。

关键词：CIGS薄膜太阳能电池,磁控溅射,合金靶,固态硒源,硒化1 引言能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据估纠¨，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。

随着全球经济的发展，尤其是中国、印度等新兴国家经济的快速增长，整个世界正在以前所未有的速度消耗自然资源，这也是世界原油、煤炭价格飙升的一种基本因素。

2004年，世界一次能源消费构成中煤炭占27．2％、石油占36．8％、天然气23．7％、水电占6．2％、核电占6．1％；同期中国一次能源消费成中煤炭占69．0％、石油占22．3％、天然气占2．5％、水电占5．4％和核电占O．82％。

随着一次性能源走向枯竭；未来人类将无可选择地依赖太阳能、风能、核能等清洁能源；尤其是取之不尽的太阳能。

正因为如此，即便在成本高企的现状下世界各国政府依然未雨绸缪，在政策上给予大力的支持，推动光伏产业的高速发展。

因此，太阳能光伏发电成为了世界上各种能源中发展最快的能源之一，世界光伏产业在上世纪80年代至90年代中期，年平均年增长率为15％左右。

90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。

1997年世界太阳电池光伏组件生产达122MW(太阳能电池的峰值功率，通常可用Wp表示)，比1996年增长了38％，是4年前的2倍，是7年前的3倍，超过集成电路工业。

铜铟镓硒太阳能电池材料的制备与性能研究随着人们对可再生能源的需求逐渐增加，太阳能作为一种清洁、可再生的能源得到了广泛关注。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池因其光电转换效率高、生产成本低等优势逐渐成为研究的热点。

本文将就CIGS太阳能电池材料的制备以及相关性能研究进行探讨。

**1. 制备过程**CIGS太阳能电池的制备通常通过薄膜沉积工艺实现。

一种常见的方法是使用真空蒸发工艺，将铜、铟、镓、硒等多种材料依次蒸发到基底材料上，形成CIGS薄膜。

在薄膜形成后，进行热处理以形成结晶结构并提高其光电特性。

此外，还可以采用溶液法、喷雾法等制备CIGS薄膜，这些方法在提高生产效率和降低制备成本方面具有潜在优势。

**2. 结构与组成**CIGS薄膜通常为多层结构，包括玻璃基底、导电氧化物薄膜、CIGS吸收层、缓冲层和金属载流子层等。

其中，CIGS吸收层是整个太阳能电池的关键部分，其元素配比和结晶质量直接影响电池的性能表现。

**3. 光电性能**CIGS太阳能电池具有良好的光电转换效率，这得益于其近理想的光吸收特性和长寿命的载流子。

通过调节CIGS薄膜的晶格缺陷及优化界面特性，可以改善其光电性能。

此外，研究人员还在探索提高CIGS太阳能电池的稳定性和可靠性，以满足实际应用的需求。

**4. 可持续性发展**CIGS太阳能电池材料的制备及性能研究不仅关乎能源产业的发展，还涉及到环境保护和可持续发展。

相比于传统化石能源，太阳能电池产生的环境影响更小，而CIGS太阳能电池具有更高的能源利用效率，未来有望成为清洁能源的重要组成部分。

**5. 结语**随着能源行业的发展和技术的进步，CIGS太阳能电池材料的制备与性能研究将继续得到更深入的探索和改进。

我们对此持乐观态度，相信CIGS太阳能电池将在未来的能源领域发挥重要作用，为人类社会的可持续发展贡献力量。

铜铟镓硒薄膜光伏电池
铜铟镓硒（Copper Indium Gallium Selenide，缩写为CIGS）薄膜光伏电池是一种薄膜太阳能电池技术，它使用CIGS化合物作为光吸收层，具有较高的光电转换效率和适应性。

以下是铜铟镓硒薄膜光伏电池的主要特点和工作原理：
1.化合物半导体层：CIGS电池的关键部分是其光吸收层，
即铜铟镓硒薄膜。

这个复合材料的特性使得它在光谱范围内都
能有效吸收光线，从紫外线到可见光和红外线。

2.光电转换：光被吸收后，CIGS层中的电子被激发并跃
迁到导带中，形成电子-空穴对。

这些载流子会在电池中形成电
流，从而实现光能到电能的转换。

3.适应性：CIGS薄膜光伏电池相比其他太阳能技术，如
硅基太阳能电池，具有更高的光吸收系数，这使得它对于光照
弱或光照不稳定的环境更为适应，包括阴天和部分阴影的情况。

4.薄膜结构：CIGS电池采用薄膜结构，因此相对于厚硅
太阳能电池而言，具有较低的材料成本和更轻便的重量。

这种
薄膜结构还有助于在弯曲表面或柔性基材上制造可弯曲的太阳
能电池。

5.高效率：CIGS薄膜光伏电池的转换效率通常较高，可
以达到硅太阳能电池的水平，甚至更高。

这使得其成为一种具
有竞争力的太阳能技术。

尽管CIGS薄膜光伏电池在一些方面具有优势，但也需要克服一些挑战，如生产成本和稳定性。

然而，这一技术在不断发展和改进中，被广泛研究用于提高太阳能电池的性能和降低成本。

万方数据万方数据万方数据产线正在建设中，他们的技术路线是Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ共蒸发，并进行２次硒化，平均转换效率８．５％。

ＷｕｒｔｈＳｏｌａｒ公司在德国的一所学校的屋顶上设置了一个５０ｋＷ的ＣＩＧＳ组件发电系统，是现在世界上最大的ＣＩＧＳ发电系统。

从已经开始生产的生产线工艺路线上看。

以Ｃｕ、ｌｎ、Ｇａ溅射成膜然后硒化的技术路线是主流技术。

日本的昭和壳牌石油、美国的ＳｈｅＩＩＳｏＩａｒ公司、ＧＳＥ公司都采用此种工艺路线，特点是组件效率较高，生产工艺稳定。

德国的ＷｕｒｔｈＳｏＩａｒ公司采用Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ共蒸发，并进行２次硒化工艺，效率较低，工艺不稳定。

日本松下电器也采用共蒸发工艺，虽然组件的最高效率较高，能达到１５％～１６％，但是工艺非常不稳定，经过１０年的开发，到现在也不能实现中试水平的生产。

由此可见以Ｃｕ、ｌｎ、Ｇａ溅射成膜加硒化为主的工艺路线将成为ＣＧＳ组件生产的主流。

从以上的情况可以看出，无论研发的时间和历史、研究力量、研究公司的数量还是从国外所达到的光电转化效率以及成品率的数据，国外的研究水平都是国内所无法企及的。

与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内对ＣｌＧＳ薄膜太阳能电池的研究几乎微不足道，以自然科学基金和国家８６３计划为主的基础研究资金投入不足３Ｏ０万人民币。

相关基础研究水４６Ｊ新衄斟产业２０惦．４平较低，国内目前达到的实验室最高光电转化率仅约为１０％。

以产业化为目的的研究项目有南开大学光电子所的“２００１年能源技术领域后续能源技术主题太阳能薄膜电池”８６３项目ＣＩＧＳ课题，科技部资金支持强度约２０００万人民币，目标是建成０．３ＭＷ中试线。

大约在２００１年以前国内从事ＣＧＳ薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和作者所在的清华大学机械工程系功能薄膜研究室。

之后如北京大学重离子实验室、清华大学材料科学与工程系、中国科技大学等也开始开展ＣＳ系太阳能电池的研究。

新型无镉缓冲层CIGS太阳能电池研究进展新型无镉缓冲层CIGS太阳能电池研究进展兔子君导读薄膜太阳能电池由于具有可用柔性材料、可透光、弱光性能好、温度系数低等独特优势，得到了广泛关注。

铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池是最被看好的薄膜太阳能电池之一，在近十多年，很多企业和研究所投身这一领域，其技术迅速成长。

传统CIGS电池采用硫化镉（CdS）作为缓冲层，其中镉有毒并会造成环境污染，因此，无镉缓冲层CIGS太阳能电池的开发成为全球CIGS太阳电池研究的热点。

今天兔子君带大家看看当前无镉缓冲层CIGS太阳能电池的研究进展。

传统CIGS太阳能电池结构传统CIGS电池的结构如图1所示，其核心的p-n结为P型的CIGS和N型的CdS，N型的CdS通常被称为该电池的缓冲层。

由于镉（Cd）的毒性和不环保，新型无镉缓冲层的开发已成为研究热点，并且无镉CIGS电池的效率已逼近传统CIGS电池。

图1 传统CIGS太阳能电池结构最被看好的无镉缓冲层Zn(O,S)，Zn1−xSnxO， (Zn,Mg)O，In2S3 是目前最被看好的无镉缓冲层。

其中In为稀有金属，所以前三种具有更好的发展前景。

无镉缓冲层的特点是带隙比传统CdS的带隙更大，因此有效地减少对蓝光的吸收, 增加光谱响应范围。

然而，无镉CIGS电池的开路电压较CdS的低，造成效率普遍低于传统CIGS电池。

主要制备方法制备方法分为干法和湿法两大类，具体的制备方法表1。

湿法：水浴沉积法（CBD）特点：成本低；不利于流水线生产，因为其他步骤为干法。

干法：化学气相沉积（CVD），物理气相沉积（PVD）。

下表中ALD属于CVD，而磁控溅射属于PVD。

特点：成本高，易与产线兼容。

表1 无镉缓冲层制备方法研究进展无镉缓冲层研究方向处于领先的研究机构主要来自美国、日本、德国、瑞典、瑞士等，如美国可再生能源实验室（NREL），亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB），德国太阳能与氢能研究中心（ZSW），日本Solar Frontier等，详见表2。