一、太陽能電池簡介

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。近幾年，太陽能電池成為了全球熱門的研究課題，業(yè)界也普遍認(rèn)為太陽能電池的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了第三代——薄膜太陽能電池。今天主要跟大家總結(jié)和分享一下銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池的基本情況。

科普小知識：第一代為單晶硅太陽能電池，第二代為多晶硅、非晶硅等太陽能電池，第三代就是銅銦鎵硒CIGS（CIS中摻入Ga）等化合物薄膜太陽能電池以及薄膜Si系太陽能電池。

薄膜太陽能電池的應(yīng)用實(shí)例

在專業(yè)課上常常聽到諸多太陽能的應(yīng)用，例如用太陽能屋頂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瓦片式屋頂，儲能龐大的能源墻，節(jié)能實(shí)用的太陽能路燈，太陽能車，甚至是現(xiàn)在城市里廣為使用的膜拜單車上都安有薄膜太陽能。以下圖1、圖2、圖3分別為太陽能應(yīng)用實(shí)物圖。

四種不同的太陽能屋頂樣式，由玻璃瓦片制成，內(nèi)部嵌入太陽能電池

全新一代的能源墻最大能儲存 14kWh 的電量，是上一代的兩倍

全太陽能飛機(jī)Solar Impulse 2，它的機(jī)翼上安裝了超過1.7萬個太陽能電池

二、薄膜太陽能電池的工作原理

薄膜太陽能電池的工作原理是基于PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。因此在介紹太陽能電池的結(jié)構(gòu)之前我們先來簡單了解一下PN結(jié)產(chǎn)生電能的過程。

PN結(jié)的基本結(jié)構(gòu)

PN結(jié)工作原理

PN結(jié)是由采用摻雜工藝制成的P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸界面構(gòu)成。

由于P型半導(dǎo)體多空穴，N型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差，濃度差導(dǎo)致N區(qū)電子向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散，從而形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差。

    當(dāng)太陽能照到半導(dǎo)體器件的PN結(jié)上，在 PN結(jié)電場作用下，空穴由 N 型區(qū)流向P 型區(qū)域，電子由 P 型區(qū)流向 N 型區(qū)，分別成 N 區(qū)過剩的電子和 P 區(qū)過剩的空穴，建立以 N區(qū)為負(fù)、P 區(qū)為正的光生電壓，(如圖6所示）接入負(fù)載后形成光生電流，即為太陽能電池的工作原理。

晶片受光時電子轉(zhuǎn)移情況

也就是說，在有光照情況下，PN結(jié)就是一個光敏二極管，隨著光照強(qiáng)度的變化，其內(nèi)部會產(chǎn)生一定的光電流。若施加一定的光照強(qiáng)度，光敏二極管相當(dāng)于一個恒流源。而在有光照而無外加電壓時，光敏二極管相當(dāng)于一個電池，P區(qū)為正，N區(qū)為負(fù)。

三、CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)

B. 鉬背電極

選擇鉬薄膜作為電極的理由：

①鉬的導(dǎo)電性很好，且在高溫時不易滲透擴(kuò)散進(jìn)CIGS層。

②制備魚鱗狀鉬薄膜作背電極可以改善界面的接觸情況，避免鉬與CIGS層之間的剝離。

③一定厚度的Mo薄膜光透過率低，對光具有高的反射性，可加強(qiáng)CIGS層對光的吸收。

④從能帶角度考慮，Mo與CIGS光吸收層之間形成MoSe2，其禁帶寬度為1.3eV，可以減少電子在Mo和CIGS處的復(fù)合，降低Mo和CIGS的接觸電阻。

    因此，Mo是CIGS薄膜太陽能電池最佳的背電極材料。

    通常采用直流磁控濺射方法沉積厚度2 μm左右的 Mo 薄膜作為背接觸層。

    大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)采用高阻/低阻雙層Mo 工藝，高阻Mo 結(jié)構(gòu)疏松，可以提高背接觸層與襯底的附著性，低阻Mo金屬層的電阻率較小促進(jìn)光生電流的收集和傳導(dǎo)，可以減小電池的串聯(lián)電阻。這種雙層Mo 接觸層與襯底附著性好同時具有較高的電導(dǎo)率。

C. CIGS吸收層的制備過程

1）磁控濺射制備CuIn薄膜：

    為了精確控制Cu/In的元素比例，采用兩靶共濺射的方法制備CuIn薄膜。即：在同一濺射腔室內(nèi)同時濺射CuIn合金靶和In單質(zhì)靶。Cu/In含量的分布對薄膜的性能影響極大。從形貌上分析，Cu含量高時，薄膜為明顯的鏡面，表現(xiàn)為金屬光澤。In含量高時，表面呈暗紅色。而富In型薄膜由于晶粒較小，硒化過程可以形成結(jié)晶狀況好，表面形貌平整的CIS和CIGS薄膜。因此采用的前驅(qū)體都是富In薄膜。

2）磁控濺射制備CuInGa薄膜

在CuInSe2中用一定量的Ga取代In元素，可以使合金半導(dǎo)體薄膜的禁帶寬度發(fā)生變化。隨著Ga元素的增加，薄膜禁帶寬度從1.04eV到1.68eV可調(diào)。

但是，加入Ga容易使薄膜出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，Ga含量越高，劈裂現(xiàn)象越明顯，且高濃度的Ga容易在薄膜表面形成Cu1-xSe雜相，影響電池的開路電壓和電子傳輸。此現(xiàn)象可通過XRD表征證實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，Ga元素取代In的比率控制在30%上下，太陽能電池性能達(dá)到最佳。

3）用化學(xué)氣相沉積法CVD制備CIGS薄膜

實(shí)驗(yàn)中會用CVD系統(tǒng)對CuInGa薄膜進(jìn)行兩步硒化處理來制備CIGS薄膜。

由于氣體H2Se有劇毒以及成本高等特點(diǎn)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中通常采用固態(tài)硒粉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣體硒源。圖9為CuInGa薄膜的砷化工藝裝置。

E. ZnO窗口層

CIGS薄膜太陽電池的窗口層是由高阻ZnO（本征ZnO）和低阻ZnO（ZnO:Al）構(gòu)成。

i-ZnO薄膜具有較寬的帶隙（3.3～3.6eV），有較高的透光率和電阻率，能夠透過絕大部分太陽光譜。高阻層處于緩沖層和低阻層之間，起到帶隙過渡作用。

而ZnO：Al薄膜也能保證透過絕大部分太陽光譜，并起著收集電流的作用，ZnO：Al電阻率的降低不僅降低了窗口層薄膜的電阻，還能夠減小整個電池組件的串聯(lián)電阻。

ZnO窗口層薄膜的制備只能在很低的溫度（不高于100℃）下，避免因溫度過高而引起對CdS緩沖層造成損傷，從而導(dǎo)致電池效率的明顯下降。

    CIGS 電池中的高阻ZnO 與緩沖層 CdS一起形成 n 型區(qū)材料，與 p 型 CIGS 材料組成異質(zhì)結(jié)，是內(nèi)建電場的關(guān)鍵，也是電池頂電極與上電極一起共同成為電池功率輸出的主要通道，還可以防止電池內(nèi)部短路。

F. 柵電極的制備

如圖10為CIGS電池外形。太陽能電池器件表面呈現(xiàn)出深藍(lán)色或暗黃色（顏色和緩沖層CdS的厚度有關(guān)），窗口層呈現(xiàn)暗灰色，白色部分為銀材質(zhì)的柵電極。實(shí)驗(yàn)中采用Ni-Al 柵電極作為收集電極。

四、參考文獻(xiàn)：

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2.李秋芳,莊大明,張弓,宋軍,李春雷.CIG前驅(qū)膜疊層方式對CIGS膜成分和結(jié)構(gòu)的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2008, 28(1): 42-45.

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4.劉婧婧.納米結(jié)構(gòu)薄膜電極材料的構(gòu)筑及其在CIGS薄膜光伏器件中的應(yīng)用[D].河南大學(xué),2016.