薄膜太阳能电池的研究进展

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CIGS薄膜太阳能电池研究现状与发展前景

摘要：太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源正在得到迅速的发展与应用，目前在世界各国都得到了广泛的研究。本文介绍了太阳能电池发展的背景、太阳能电池分类；并着重介绍了CIGS薄膜太阳能电池的制备工艺方法，分析总结了其研究发展现状与发展前景。

关键词：太阳能电池；CIGS；薄膜；发展前景

0引言

能源是人类社会经济发展的重要物质基础，是生产力飞跃的主要动力源泉0。随着传统化石能源逐渐耗尽引起的能源危机，以及化石燃料燃烧引起的温室气体、氮氧化物等环境污染的日趋严重。从人类社会可持续发展的角度考虑，能源产业出现了两大发展趋势：其一是在传统能源中寻找清洁、高效的能源利用方式，但是这并不能从根本上解决世界能源短缺的问题；其二是积极寻找并开发、使用新能源和可再生能源，这是人类能源可持续发展的最终选择。理想的新能源和可再生能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是安全、干净，不会威胁人类和破坏环境。

太阳能是最理想的新能源。它是各种可再生能源中最重要的基本能源。生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。太阳能存在许多优点：太阳能随处可得，数量巨大，无需运输；取之不尽，用之不竭的可再生性；既清洁又安全、无污染，也不会影响生态环境。太阳能发电可以将太阳光能直接转化为电能，是太阳能利用研究中最重要的研究领域之一。0

太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，全球年能量消耗的总和只相当于太阳40分钟内投射到地球表面的能量。为了保证人类发展所需能源的持久供应，减轻环境污染、生态破坏对人类日益加剧的危害，使经济、社会走上可持续发展之路，世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发的首位，制定规划，采取措施，增加投入，大力发展0。我国也在这方面非常重视，发展新能源和可再生能源，并把光伏发电作为未来能源的希望。

1.太阳电池的工作原理及光谱吸收

耿学文等：薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展　

薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展　

耿学文，李美成，赵连城　

（哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘　要：　制备高效硅薄膜太阳能电池，需要在整个太　

阳光谱范围内进行有效陷光和保持低反射率。最近，　

对于硅衬底的陷光结构展开了大量的研究工作。综述　

了近年来硅衬底陷光结构的研究进展，分析了陷光结　

构制作的影响因素，展望了薄膜太阳能电池硅衬底陷　

光结构研究的发展趋势。　

关键词：　薄膜太阳能电池；硅衬底；陷光结构　

中图分类号：ＴＧ１４６．４　文献标识码：Ａ　

文章编号：１００１－９７３１（２０１０）０５－０７５１－０４　

１　引　言　

近年来，能源危机和环境污染的日趋严重极大地　

促进了光伏产业的迅速发展。太阳能光伏发电的核心　

器件是太阳能电池，硅太阳能电池由于原料来源广泛，　

成本较低，占据着太阳能电池市场的主导地位。降低　

成本和提高转换效率是太阳电池研究的重点方向。为　

了进一步提高太阳电池的光电转换效率，澳大利亚和　

美国分别提出了第三代太阳能电池的概念，即通过研　

究太阳能电池的效率极限和能量损失机理，把一些新　

型电池结构引入薄膜太阳能电池的结构设计中。第三　

代太阳能电池主要有叠层太阳能电池、热载流子太阳　

能电池和量子点太阳能电池等。藉此，纳米材料和纳　

米结构由于其独特的物理特性被引入太阳能电池的研　

究，迅速引起了各国科研工作者的广泛关注［１　］。　

减少电池受光面上入射阳光的反射是提高太阳能　

电池的光电转换效率的手段之一。常用的减反射措施　

主要有：（１）采用传统方法刻蚀硅衬底，刻蚀方法包　

括：酸、碱湿法刻蚀、反应离子刻蚀、光子／电子束刻蚀　

和机械刻槽等；（２）在硅衬底表面或电池的受光面制　

备Ｔｉｏ　（ｚ≤２）、ＳｉＮ　等减反射膜；（３）在硅衬底表面　

制备多孔层陷光；（４）在硅衬底表面制备特殊纳米陷　

光结构，尤其是周期性亚波长光栅结构（ＳＷＳ）。　ＫＯＨ溶液［５］，而多晶硅通常用ＨＦ／ＨＮ０。溶液刻　

我国碲化镉多晶薄膜电池取得新进展 转化效率达14.4%

日前，中国科学院电工研究所化合物薄膜太阳能电池研究组在CdTe多晶薄膜电池上取得新进展，该团队在普通廉价玻璃上制备出了厚度仅为2μm的CdTe多晶薄膜，经中国科学院太阳光伏发电系统和风力发电系统质量检测中心认证，其转化效率达到14.4%，距2012年报道的12.78%转化效率又上了一个台阶，这标志着电工所在CdTe薄膜太阳能电池研究方面取得重要进展。CdTe为直接带隙半导体，室温带隙宽度为1.45eV，带隙值与太阳光谱非常匹配。CdTe吸收系数大于104/cm，只需要1μm就可以吸收99%以上、波长小于826nm的可见光。厚度仅为硅太阳能电池厚度的1/100，制作周期短、成本低、适合于大规模生产。因此，以CdTe薄膜太阳能电池为代表的薄膜太阳电池因其高转换效率、低成本和高稳定性倍受科研和产业关注。今年2月，美国FirstSolar公司通过气相输运方法这种高温制备方法，制备的小面积CdTe太阳能电池的转化效率达到了20.4%，与多晶硅电池相同。3月，组件的全面积效率达到了17.0%，这种技术的生产成本也率先降低到了$0.55/Wp，是生产成本最低的太阳能电池技术，但其规模生产工艺技术一直为美国少数企业所垄断。此外，使用低温制备方法磁控溅射技术制备的CdTe多晶薄膜电池最高效率由美国Toledo大学保持，转化效率为14.5%。此次，电工所在没有使用高阻层的情况下，采用全国产化设备和原料，制备出转化效率达到14.4%的CdTe电池，充分证明了只要研究好器件制备的工艺技术，就能做到国外相同的水平。这一研究成果为我国CdTe薄膜太阳能电池的研究和产业化奠定了基础，将使我国在CdTe电池产业化得到长足发展。以上工作得到了中国科学院百人计划择优支持、电工所所科研基金的大力支持。

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％。这说明即使不使用CdS也能制备出高转化效率的CIGS太阳电池。