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CuInSe薄膜太阳能电池研究进展

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冶金科学与工程学院王博093511021

摘要：

关键字：

铜锢稼硒是薄膜PV产品的重要一员，制备所用材料CIS和C工GS，一般称为

I一111一VIZ薄膜材料，是具有黄铜矿结构的化合物半导体。经过多年的研究

总结，其优点可以归纳如下「39一41〕:(l)通过掺入适量Ga替代部分工n，可

以使半导体禁带能隙在1.0~1.6eV之间可调，非常适合制备最佳带隙的半导体化

合

物材料，这是CIGS材料相对于硅系PV材料的最特殊优势。(2)CIGS材料的

吸收系数高，达到105cm一，。(3)利用CdS作为缓冲层(具有闪锌矿结构)，和

具有黄铜矿结构CIGS吸收层可以形成良好的晶格匹配，失配率不到2%。(4)

在光电转化过程中，作为直接能隙半导体材料，当有载流子注入时，会产生辐射

复合过程，辐射过程产生的光子可以被再次吸收，即所谓的光子再循环效应。(5)

CIGS系半导体没有光致衰退效应，这是Si系太阳电池很难克服的效应。(6)

CIGS薄膜的制备过程具有一定的环境宽容性，使得C工GS太阳电池在选择衬

底

时，具有较大的选择空间。在所有薄膜太阳能电池中，C工GS保持着最高的实

验

室记录，在2007年，美国可再生能源实验室，用三步共蒸发法制备的铜锢稼硒

薄膜太阳能电池，转化效率达到了19.9%〔42]。其制造成本低，能量偿还时间

在

一年之内，远远低于晶体太阳电池。用溅射后硒化的方法制备的大面积薄膜电池

组件的效率已经达到13.4%「38」。所以CIGS的产业化研究受到各发达国家的

普

遍重视。

近年来，光伏工业呈现加速发展的趋势，发展的特点是:产量增加，转化效

率提高，成本降低，应用领域不断扩大。与十年前相比，太阳能电池价格大幅

度降低。可以预料，随着技术的进步和市场的拓展，光电池成本及售价将会大幅

下降。2010年以后，由于太阳能电池成本的下降，可望使光伏技术进入大规模

发展时期。随着技术的进步，薄膜太阳能电池的发展将日新月异，在未来光伏市

场的市场份额将逐步提高。作为性能最好的薄膜太阳能电池，CIGS薄膜太阳能

电池也将迎来快速发展时期。

1.5CIGS电池的发展现状

近年来，伴随着各种新技术的蓬勃发展，薄膜太阳能电池的制造技术也不断

发展并趋于成熟和稳定。铜锢硒(CulnseZ，简称CIS)或铜锢嫁硒(CulnGaseZ，简

称CIGS)薄膜太阳电池是多元化合物半导体中最有代表性的光伏器件。由于它具

有高的转换效率、低的制造成本，以及性能稳定，而成为国际光伏界研究热点之

一，即将成为下一代有竞争力的商品化薄膜太阳电池。对CIGS电池的结构，制

备方法将在第二章做详细论述，本节只对CIGS的发展现状做简单论述。

.5.1CIGS国外研究现状

上世纪70年代，贝尔实验室开发出单晶Cu工nseZ电池，当时其转换效率还不

高。1976年，美国首次研究成功CIS薄膜太阳电池，转换效率达到6.6%「43」。

时隔6年之后，波音公司通过3元(Cu、In、Se)蒸发方法，制造出了效率超过

10%的薄膜电池。1983年，ArcoS。lar公司提出新的制备方法—硒化法，该项

技术具有简单、廉价的特点，现在已经发展为制作CIS电池最重要的技术。80

年代后期，德国开发出了转换效率为n.1%的CIS电池，这是转换效率首次超

过10%。其稳定性好、耐空间辐射的优良特性也逐渐得到行业的重视。90年代

初，

瑞典报道了效率为17.6%，面积0.4cmZ的CIS太阳电池，这是当时的世界一记

录。到90年代末期，美国可再生能源实验室(NREL)将转化效率提高到了18.8%，

同时开始生产发电用C工GS太阳能电池组件(40W)，组件效率达到当时最高的

12.1%。到2001年，WurthS01ar开始在欧洲销售6Oem只12Oem的CIGS太阳

能

电池组件，它是制备在钠玻璃基片上的。2000年，美国可再生能源研究所制备

出亚微米级(0.74腼)CIGS太阳能电池，效率达12一13%，更加显示出了铜锢

嫁硒(C工GS)薄膜太阳电池的性价优势及广阔