CIGS薄膜太阳能电池

CIGS组成可表示成Cu(In（1－x） ,Ga （x）)Se2的形式，具有黄铜矿结构，是CulnSer和CuGaSer的混晶半导体。CIGS是由IV族化合物衍生而来，其中I族化合物由I族(Cu)与m族(In)取代而形成三元化合物,Cu、In原子规则地填人原来卫族原子位置。这种电池的优势体现在以下几个方面。 (1) CIS是一种直接带隙的半导体材料,其能隙为1.04 eV(77 K), 对温度的变化不敏感。光吸收系数高达105 cm-1 ,是已知的半导体材料中光吸收系数最高的,对于太阳能电池基区光子的吸收、少数载流子的收集(即对光电流的收集)是非常有利的条件。这就是CdS/CuInSez太阳能电池(39 mA/cm2)具有这样高的短路电流密度的原因。电池吸收层的厚度可以降低到2~3μm,这样可以大大降低原材料的消耗。

(2)掺人适量Ga取代In制成CIGS四元固溶半导体,可以通过调整Ga的含量使半导体的禁带宽度在1.04~1.70eV变化,非常适合于调整和优化禁带宽度。如在膜厚方面调整Ga的含量,形成梯度带隙半导体,会产生背表面场效应，可获得更多的电流输出。据日本科学家小长井诚的预测,这种电池的光电转换效率将超过50%。能进行这种带隙裁剪是CIGS系电池相对于Si系和CdTe系电池的最大的优势。

(3)转换效率高。1996 年，美国NERL制出了转换效率达17.7%的光电转化效率达到了国可再生能源实验室,用三步共蒸法制备的CIGS薄膜太阳能电池，18%的CIGS电池。德国在19.9%。日本的青山学院大学、松下电器也制成了转换效率超过18%CIGS电池。德国在CIGS的研究方面也几乎处于同一水平。而且在德国和日本已经进行了一定规模的民用的产业化生产。电池模块的转换效率达13%~14%。这比除了单晶硅以外的其他太阳能电池模块的转换效率都高

(4) CIGS的Na效应。对于Si系半导体,Na等碱金属元素是避之唯恐不及的半导体杀手，而在CIGS系中，微量的Na掺杂可以优化CIGS电池的电学性能,尤其能提高P型CIGS的传导率,也会提高转换效率和成品率,因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掺杂的考虑。

(5) CIGS可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的高品质结晶。而这种晶粒尺寸是其他的多晶薄膜无法达到的。

(6)电池的稳定性好。CIS 具有非常优良的抗干扰、抗辐射能力，没有光致衰退效应(SWE),该类太阳能电池的工作寿命长。有实验结果说明比寿命长的单晶硅电池的寿命(一般为40年)还长。 (7)制造成本较低。价格低廉，电池制造成本和能量偿还时间(电池发电量等于制造该电池的能耗所需时间)均低于晶体硅太阳能电池。

材料的电化学性质（电阻率、导电类型、载流子浓度、迁移率）主要取决于材料的元素组分比，以及偏离化学计量比而引起的固有缺陷（如空位、填陷原子、替位原子），此外还和非本征掺杂和晶界有关。

CIGS薄膜太阳能电池CIGS的研制

CIGS薄膜的禁带宽度为1.04ev，当掺入适当的Ga以替代部分In成为CuInSe2和CuGaSe2的固溶晶体简称CIGS，薄膜的禁带宽度可在1.04-1.7范围内调整。而理想多晶体薄膜太阳能的吸收层理想的禁带宽度为1.5，可见调整Ga和In的比例，我们可以获得理想禁带宽的吸收层。

CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n - ZnO- -般采用磁控溅射的方法，工艺路线比较成熟。最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，包括:蒸发法、溅射后硒化法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法等。研究最广泛、制备出电池效率比较高的是共蒸发和溅射后硒化法,被产业界广泛采用。后几种属于非真空方法，实际利用还有很多技术问题要克服。

CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的方法,工艺路线比较成熟。

最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法。

衬底温度保持在约350 ℃左右，真空蒸发In，Ga，Se三种元素，首先制备形成(In，Ga)Se预置层。

将衬底温度提高到550一580℃，共蒸发Cu，Se，形成表面富Cu的ＣＩＧＳ薄膜。

保持第二步的衬底温度不变，在富Cu的薄膜表面再根据需要补充蒸发适量的In、Ga、Se，最终得到ＣｕＩｎ１－ｘＧａｘＳｅ２的薄膜。

GIGS薄膜太阳能电池的优点：

(1)生产成本低

由于反应温度低，可在200C左右的温度下制造，因此可在玻璃、不锈钢板、铝箔、陶瓷板、聚合物等基片上淀积薄膜，易于实现规模化生产，降低成本。

(2)材料用量少

非晶硅光吸收系数大,硅膜的厚度可极薄。例如，使用单晶硅，要充分吸收太阳光，需要的厚度为180 ~ 200um;而使用非晶硅，只要1μum就已足够,并且不需像单晶那样切片,材料的浪费极少。

(3)制造工艺简单，可连续、大面积、自动化批量生产

采用玻璃基板的非晶硅太阳电池,其主要工序目前普遍采用的是等离子增强型化学气相淀积(PECVD)法，生产方式具有自动化程度高、生产效率高的特点。此种制作工艺可以连续在多个真空淀积室或多片在一个沉积室内完成，从而实现大批量生产。

(4)制造过程消耗电力少，能量偿还时间短

用PECVD法制备非晶硅，基板温度仅200~250C，且放电电极所需的放电功率密度较低。与单晶硅在1412C以上反复多次熔解相比，所消耗的电力少得多。晶体硅太阳电池的能量偿还时间为2-3年，而转换效率为6%的非晶硅太阳电池只要1-1.5年

(5)高温性能好

当太阳能电池工作温度高于标准测试温度25C时，其输出功率会有所下降。对于晶体硅电池，温度每升高1C，输出功率约下降0.5% ;而薄膜电池温度系数较低，如非晶硅太阳电池只下降0.25%，因而其输出功率受温度的影响比晶体硅太阳电池要小得多。例如，座IMW的单晶硅电池光伏电站,在太阳电池的温度达到65℃时.输出功率只有800kW，而如果来用相同功率的CdTe电池，在同样温度下，其输出功率还有900kW。

(6)弱光响应好，充电效率高

由于非晶硅电池在整个可见光范围内的光谱响应范围宽，在实际使用中对低光强有较好的适应性，而且能够吸收散射光。与相同功率的晶体硅太阳电池相比，非晶硅电池的发电量约可增加10%。

(7)不存在内部电路短路问题

实用的集成型薄膜太阳电池已经在工艺中实现了电池互联输出电压高，避免了晶体硅太阳电池组件互联封装引起的可靠性等问题。

(8)适合与建筑体化( BFV),可以根据需要制成不同的透光率代替玻璃幕城:地可有成以不锈钢或聚合物为村底的柔性电池，适合于建筑物曲面屋顶等处使用;还可以做成折叠式电源，方便携带，供给小型仪器计算机及军事通信GPS等领域的移动设备使用。

CIGS薄膜太阳能电池的缺点：

(1)转换效率偏低

特别是规模化生产的非晶硅电池组件，转换效率大约只有晶体硅电池组件的一半 。

(2)相同功率所需要太阳电池的面积增加

与晶体硅相比，使用时要占用较大的面积，这在安装空间有限的情况下,将会受到限制,相应的BOS系统成本也要增加。

(3)稳定性差

由于非晶硅的光致衰减特性，非晶硅电池的光电转换效率在强光照后含有输出逐渐衰退的现象。这在一定程度上影响了这种低成本电池的应用。

(4)固定资产投资大

由于制造工艺要用到先进的专]加工设备,对生产环境的要求比较高，需要较高的投资费用。

由于它具有：禁带宽度可调整范围大、光吸收率高、制造成本低、抗辐射能力强、转换效率高、电池性能稳定、无衰退性等优点，适合各种地面和空间应用，尤其适用于航空领域。

铜铟镓硒薄膜太阳电池被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”，薄膜电池材料消耗少、制备能耗低、组件生产可在一个车间内完成，成本优势明显。从近几年薄膜电池的发展势头来看，铜铟镓硒是其中唯一增长的薄膜类电池，该电池具有柔和、均匀的黑色外观，是对外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等；不仅如此，随着清洁能源的推广，未来CIGS薄膜还可应用于移动电站、可穿戴设备、新能源车、智慧城市等各个方面，加之光伏建筑一体化等分布式光伏的应用，未来的应用前景将会更加广阔。