CIGS薄膜太阳电池(上)

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薄膜太阳电池系列讲座（６
ＣＩＧＳ薄膜太阳电池（上）

天津市光电－Ｔ－－薄膜器件喜曩案茎耋妻孟霎＿李凤岩李长健熊绍珍
天津市光电
膜器件与技术重点实验室

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摘要：详细介绍了ＣＩＧＳ薄膜太阳电池的结构和工作原理，系统叙述了不同制备方法的特点与工艺流
程，以及最新技术进展与未来展望，并简单介绍了国内ＣＩＧＳ薄膜太阳电池的研究状况。
关键词：铜铟镓硒（ｃＩＧｓ）；多元化合物半导体ｔ黄铜矿晶体结构，异质结。薄膜太阳电池

光伏产业已进入人规模实用阶段，人们对硅
光电池已不陌生。在硅系太阳电池一统天Ｆ中，有
一枝新秀异军突起，以其优异的性能和独特的风
格吸引着人们的眼球，这就是铜铟镓硒（ＣＩＧＳ）薄
膜太阳电池。

一ＣＩＧＳ薄膜太阳电池的性能特点
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。为此，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。圈ａＳｉ金刚石晶体结构ｂＣＩＧＳ所属的黄铜矿晶体结构图１在化合物半导体系列太阳电池家族中，某些
成员也有不凡表现，如砷化镓（ＧａＡｓ）太阳电池，其
最高的光电转换效率使其他类型的太阳电池难以
望其项背。然而，其高昂的制备成本使其只能应用
于高层次的不计工本的特殊场合，如太空、军事领
域。在各领风骚的太阳电池阵容中，ＣＩＧＳ太阳电
池以其特性方面的闪光点脱颖而出。
１多晶材料的制备难度、成本低于单晶材料
用来制备ＣＩＧＳ太阳电池的材料是多晶态。一
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般多晶材料的制备难度和成本都低于单晶材料，
这一点对产业化和民用化具有重要意义。理论和
试验结果都证实，制备ＣＩＧＳ电池器件工艺中，对
成分配比的离散相对有较大的宽容度，对材料纯
度和制备温度的要求也低于常规晶态的半导体工
艺。这为工业化制备的良品率和制备成本的优化
提供了较大的空间。
２相对较高的光利用特质
用半导体专业语言来讲，ＣＩＧＳ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２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１～２９ｍ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。

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注：图中显示的是同属ＣＩＧＳ类但不含Ｇａ的ＣｕｌｎＳｅ。的吸收系数曲线
图２几种电池材料吸收系数曲线…

３光电转换效率居各类薄膜太阳电池之首
目前太阳电池家族中，尚存在几种不同材料
类型的薄膜电池。如硅基薄膜电池、碲化镉薄膜电
池等。但值得提出的是，在所有类型的薄膜太阳电
池中，ＣＩＧＳ薄膜太阳电池的光电转换效率在理论
上和实际上都是最高的，迄今实验室最高效率已
超过２０％，仍没封顶。
４电池发电稳定性好

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户外暴露时间／ｄ

图３
ＣＩＧＳ薄膜电池效率户外使用稳定性试验统计【２Ｉ
电池的稳定性是描述电池使用价值的另一个
非常重要的指标，尤其对电站来讲，是首要指标，
同时也直接影响到电池的能量回收水平及使用寿
命的长短。有试验证明，ＣＩＧＳ薄膜电池组件在户
外条件下使用，历时三年之久，性能没有衰减，并
非每种太阳电池都能有这种出色的表现，见图３。
５弱光发电性能好
弱光发电性能不容忽视。太阳的光强有四季、
早晚、阴晴的变化。因此，我们不仅要重视太阳电
池在强光下的峰值发电能力，更要关注一天或一
年时段中的累计发电量，即追究太阳电池的弱光
发电能力。正是在这一指标上，与不同类型太阳电
池相比，ＣＩＧＳ太阳电池有着突出的表现。在晨昏
时节、阴天冬季，仍具有相当的发电能力。
６抗辐照能力强
ＣＩＧＳ材料的Ｃｕ迁移和点缺陷反应的动态协
同作用导致受辐射损伤的电池具有自愈合能力，

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１ＭｅＶ电子流密度／ｃｍ。２

图４各类太阳电池抗辐照比较１３】

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万方数据
这就保证了ＣＩＧＳ太阳电池在强辐射下的良好反
应。如同摆擂台一样，将几种太阳电池置于１ＭｅＶ
电子辐照下，结果屉示，大多数电池输出功率明显
衰退时，Ｃ１Ｓ（ＣＩＳ在此可代表ＣＩＧＳ）电池却无任何
衰减（见图４）。在领取用作空间电源的通行证的竞
争中，ＣＩＧＳ太阳电池顺利过关。
７外观漂亮
ＣＩＧＳ薄膜太阳电池组件因其黑亮沉穆的色泽
备受赞叹（因其极高的吸收系数）。无论作为屋顶或
幕墙，ＣＩＧＳ薄膜电池无疑是功能建筑一体化的最
佳选择，作为发电功能与装饰效果的完美组合，
ＣＩＧＳ独具风格（见图５）。

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图６
ＱＩＧＳ黄铜五广结构及Ｇａｎ替代示意图
图５
ＣＩＧＳ薄膜电池的风采“
图７可弯曲．折叠的柔性电池

８带隙可依性能要求调节
带隙可依性能要求调节，这为高性能的叠层电池奠定了基础。ＣＩＧＳ材料晶型为黄铜矿结构（图６）。通过调节材料的成分及其配比，ＣＩＧＳ有多种结构。例如不掺Ｇａ的ＣＩＳ三元化合物材料做成的太阳电池，其材料的半导体禁带宽度是１０４ｅＶ；如用适量的Ｇａ取代Ｉｎ，成为四元化合物（ＣＩＧＳ），其禁带宽度可在１．０４～１６７ｅＶ范围内连续调整。优点：可根据与太阳光谱匹配的要求来调整最佳带隙（１．５ｅＶ）；容许材料成分配比有一定的偏差和漂移，而不丧失器件的光伏性能。尤其在产业化工程中，可提高工艺条件的宽容度和良品率的保证。９可做柔性电池ＣＩＧＳ材料的光吸收系数最高，吸收层可做得很薄。实际上ＣＩＧＳ薄膜电池各层叠加起的总厚度＜４ｐｍ，具有充分的柔软性。沉积在金属箔或高分
子塑料薄膜上，就成为可折叠、弯曲的柔性电池
（图７）。
柔性电池用途更加广泛与方便，可用于帐篷、
屋顶、探测气球及各种异型表面，尤其适合便携和
随机使用。在同样的发电能力下，ＣＩＧＳ薄膜电池
重量最轻。
ＣＩＧＳ薄膜太阳电池具有上述优势，足可以骄
人的姿态跻身于太阳电池的强手之林。自其现身
以来，就受到各国科研机构的重视，甚至是工业
界。如受Ｅｔ本专司汽车制造的丰田公司的青睐１“。
虽然ＣＩＧＳ薄膜太阳电池产业化较晚，大面积能力
尚在开发，但其发展高潮指日可待。（待续）
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