學術界和產業(yè)界普遍認為太陽能電池的發(fā)展已經進入了第三代。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，第三代太陽能電池就是銅銦鎵硒CIGS（CIS中摻入Ga）等化合物薄膜太陽能電池及薄膜Si系太陽能電池。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多元化合物薄膜電池的重要一員，由于其優(yōu)越的綜合性能，已成為全球光伏領域研究熱點之一。本文闡述了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢；介紹了國內外在銅銦鎵硒薄膜太陽能電池領域的研究現(xiàn)狀；最后探討了銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的應用展望。

關鍵詞：太陽能電池；薄膜；銅銦鎵硒；展望

近幾年，世界各國加速發(fā)展各種可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源，以解決日益加劇的溫室效應、環(huán)境污染和能源枯竭等全球危機。作為理想的清潔能源，太陽能永不枯竭，正成為當今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a業(yè)之一。目前，太陽能電池市場主要產品是單晶硅和多晶硅太陽能電池，占市場總額的80%以上。由于晶硅電池的高成本和生產過程的高污染，成本更低、生產過程更加環(huán)保的薄膜太陽能電池得到快速發(fā)展�，F(xiàn)階段，有市場前景的薄膜太陽能電池有3種，分別是非晶硅、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒(CuInGaSe2,一般簡稱CIGS)薄膜太陽能電池。作為直接帶隙化合物半導體，銅銦鎵硒吸收層吸收系數(shù)高達105cm-1，轉化效率是所有薄膜太陽能電池中最高的，已成為全球光伏領域研究熱點之一，即將成為新一代有競爭力的商業(yè)化薄膜太陽能電池。

1、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的特性和競爭優(yōu)勢

太陽能電池的材料一般要求主要包括：半導體材料的禁帶寬度適中；光電轉化效率比較高；材料制備過程和電池使用過程中，不存在環(huán)境污染；材料適合規(guī)�；�、工業(yè)化生產，且性能穩(wěn)定。經過數(shù)十年電子工業(yè)的研究發(fā)展，作為半導體材料硅的提煉、摻雜和加工等技術已經非常成熟，所以，現(xiàn)在的商品太陽能電池主要硅基的。但是，硅是間接帶隙半導體材料，在保證電池一定轉化效率前提下，其吸收層厚度一般要求150～300微米以上，理論極限效率為29%，按目前技術路線，提升效率的難度已經非常巨大。同時考慮到加工過程近40%的材料損耗，材料成本是硅太陽能電池的最主要構成。另外，其材料生產過程的高溫提煉、高溫擴散導致其制備過程能耗高，這使其能量償還周期長，整體成本高。盡管經過近幾年的規(guī)�；�發(fā)展，市場價格得到大幅下降，其每瓦成本仍高于2美元。如果再考慮到其制備過程的高污染，更增加了其環(huán)境治理社會成本，這些都嚴重制約了其競爭優(yōu)勢。相比較，薄膜太陽能電池具有較大的成本下降空間，同時它能夠以多種方式嵌入屋頂和墻壁，非常適合光電一體化建筑和大型并網電站項目。在這種情況下，薄膜太陽能電池引起了人們的重視，近幾年成了科技工作者的研究重點。從全球范圍來看，光伏產業(yè)近期仍將以高效晶體硅電池為主。但向薄膜太陽能電池和各種新型太陽能電池等低成本、低能耗、低污染的方向過渡已經成為光伏產業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，國際主要光伏企業(yè)已經放緩了對晶體硅太陽能電池產能的擴張，我國已經出臺相應政策，抑制晶硅行業(yè)的盲目擴張。

技術比較成熟，且有發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ�陽能電池�?種，分別是非晶硅(a-Si)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒(CuInSe2,一般簡稱CIS)/銅銦鎵硒(CuInGaSe2,一般簡稱CIGS)。經過幾年的快速發(fā)展，單結非晶硅薄膜電池的效率達到7%左右,但是，其光致衰減現(xiàn)象還一直沒能解決，相同功率條件下，需要更大的安裝面積和成本。在此情況下，近年發(fā)展的微晶硅多結電池效率已經達到了10%，同時也部分克服了其衰減問題，所以，其必將在未來太陽能市場占有重要地位。CdTe薄膜電池的實驗室效率可以達到16%,組件效率達到10%，缺點是Cd是重金屬元素,會對環(huán)境和人體帶來危害。但是，它的制備工藝簡單，成本很低，可以滿足一定區(qū)域的實際利用，也會在未來光伏市場占有一定的份額。

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池具有多層膜結構(圖1)，包括金屬柵狀電極、減反射膜、窗口層(ZnO)、過渡層(CdS)、光吸收層(CIGS)、金屬背電極(Mo)、玻璃襯底等。其中，吸收層CIGS是(化學式CuInGaSe2)由四種元素組成的具有黃銅礦結構的化合物半導體，是薄膜電池的關鍵材料。

　　圖1 CIGS薄膜太陽能電池層狀結構

相比較其它太陽能電池，CIGS競爭優(yōu)勢有以下6點:①通過摻入適量Ga替代部分同族的In,通過調節(jié)Ga/(Ga+In)可以調節(jié)CIGS的禁帶能隙，調整范圍為1.04～1.68eV，這是一個非常寬的范圍,非常適合制備最佳帶隙的半導體化合物材料，這是CIGS材料相對于硅系光伏材料的最特殊優(yōu)勢；②CIGS材料的吸收系數(shù)高，達到105cm-1，同時還具有較大范圍的太陽光譜的響應特性；③利用CdS作為緩沖層(具有閃鋅礦結構)，和具有黃銅礦結構CIGS吸收層可以形成良好的晶格匹配,失配率不到2%；④在光電轉化過程中，作為直接能隙半導體材料,CIGS的厚度可以很小(約2μm)，當有載流子注入時，會產生輻射復合過程,輻射過程產生的光子可以被再次吸收,即所謂的光子再循環(huán)效應；⑤CIGS系半導體可直接由其化學組成的調節(jié)得到P型或N型不同的導電形式，不必借助外加雜質，不會產生Si系太陽電池很難克服的光致衰退效應，使用壽命可以長達30年以上；⑥CIGS薄膜的制備過程具有一定的環(huán)境寬容性，使得CIGS太陽電池在選擇襯底時，具有較大的選擇空間。綜合比較分析，銅銦鎵硒薄膜CIGS太陽能電池具有轉換效率高(居各種薄膜太陽能電池之首)、材料來源廣泛、生產成本低、污染小、無光衰、弱光性能好的顯著特點，已成為各國爭相研究的重點領域。

2、CIGS電池的發(fā)展現(xiàn)狀

CIGS國外發(fā)展現(xiàn)狀

1976年，美國首次研究成功CIS薄膜太陽電池，轉換效率達到6.6%。時隔6年之后，波音公司通過3元(Cu、In、Se)蒸發(fā)方法，制造出了效率超過10%的薄膜電池。1983年，ArcoSolar公司提出新的制備方法——硒化法，該項技術具有簡單、廉價的特點,現(xiàn)在已經發(fā)展為制作CIS電池最重要的技術。80年代后期，德國開發(fā)出了轉換效率為11.1%的CIS電池，這是轉換效率首次超過10%。其穩(wěn)定性好、耐空間輻射的優(yōu)良特性也逐漸得到行業(yè)的重視。90年代初，瑞典報道了效率為17.6%，面積0.4cm2的CIS太陽電池，這是當時的世界記錄。日本從1994年啟動CIGS產業(yè)化項目，研發(fā)投入高達200億日元(相當于14億元人民幣)。到90年代末期，美國可再生能源實驗室(NREL)將轉化效率提高到了18.8%，同時開始生產發(fā)電用CIGS太陽能電池組件(40W)，組件效率達到當時最高的12.1%。到2001年，德國風險投資企業(yè)WurthSolar開始在歐洲銷售60cm×120cm的CIGS太陽能電池組件,它是制備在鈉玻璃基片上的。2000年，美國可再生能源研究所制備出亞微米級(0.74μm)CIGS太陽能電池，效率達12%～13%，更加顯示出了銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池的性價優(yōu)勢及廣闊的市場前景。2003年，日本昭和殼牌石油公司開發(fā)的3459cm2組件轉換效率達到了13.4%。在2007年，美國可再生能源實驗室，用三步共蒸發(fā)法制備的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池，轉化效率達到了19.9%，這是單結薄膜太陽能電池的世界記錄。

現(xiàn)在CIGS薄膜太陽能電池組件面積已經可以達到0.5平方米以上，主要有600mm×900mm和600mm×1200mm等規(guī)格。主要由各公司不同設備條件決定。其組件生產工藝流程如圖(2)所示：

　
圖2 CIGS組件生產工藝流程

現(xiàn)在CIGS組件處于產業(yè)化初級階段，主要是美國、德國和日本等發(fā)達國家公司。其工藝各具特色，主要采用的都是真空濺射技術，區(qū)別主要是制備CIGS吸收層的部分工藝差別。表3給出了主要公司生產工藝比較�？梢钥闯�，最主流形式是濺射金屬預制層后硒化工藝。該工藝對濺射設備防腐要求低，維護簡單，生產過程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接濺射CIGS的研究，由于設備防腐要求高，吸收層存在缺陷，濺射后仍需要熱退火處理，這種方法現(xiàn)階段沒有表現(xiàn)出產業(yè)化優(yōu)勢。

　表3 世界主要CIGS組件廠家工藝比較

在CIGS組件產業(yè)方面，從表43可以看出世界主要CIGS廠家技術現(xiàn)狀�？梢钥闯�，蒸發(fā)和濺射后硒化是兩種最廣泛采用，最有實際應用前景的方法。尤其是預制膜硒化技術，更有優(yōu)勢，可以滿足大面積生產，同時又能保證產品效率的最有效方法。

CIGS國內發(fā)展現(xiàn)狀

自“六五”以來，我國政府一直把研究開發(fā)太陽能作為可再生能源技術的重要組成部分而列入國家科技攻關計劃，大大推動了我國太陽能技術和產業(yè)的發(fā)展。但與世界發(fā)達國家相比，我國在這一領域研究與應用力度和規(guī)模還比較落后。在2002年以前，我國(不含臺灣、港澳)所有的太陽電池年產量不足5MWp，主要市場還局限在通訊領域，管道防腐保護和偏遠鄉(xiāng)村供電等。2002年之后，在“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”、“金太陽示范工程”等一系列政策的激勵下，我國的光伏產業(yè)成為快速發(fā)展的產業(yè)之一。2008年，我國光伏產業(yè)產值已超千億元。其中，光伏組件的產能約為2000MWp，首次超過德國，位居世界第一，產品95%以上出口海外。到2009年底，我國光伏發(fā)電累計裝機量約300MW，比2008年增長114%。

經過近20年的努力,我國在光伏發(fā)電技術的研究方面，開發(fā)儲備了一定的技術基礎,先后在實驗室制備出了晶硅高效電池，多晶硅電池，非晶硅電池，以及CdTe和CIGS等等。國內最早開展CIGS研究的是南開大學，先后承擔了國家“十五”“863”等重點課題。在“銅銦硒太陽能薄膜電池實驗平臺與中試線”和天津市的支持下，南開大學光電子薄膜器件與技術研究所的研究取得了關鍵性突破，其采用共蒸發(fā)法制備的CIS薄膜電池效率在2003年達到了12.1%。2008年12月，位于天津濱海新區(qū)的“國家863銅銦硒薄膜太陽電池中試基地”研制出29×36cm2的CIGS太陽電池組件，轉換效率達到7%。最近幾年，國內也有一些單位，如清華大學、北京大學、華東師范大學等，也在開展CIS、CIGS薄膜太陽能電池制備工藝方面的研究工作,但是整體水平與國外的差距是非常大的。

3、CIGS薄膜太陽能電池應用展望

CIGS薄膜太陽能電池的底電極Mo和上電極n-ZnO一般采用磁控濺射的方法，工藝路線比較成熟。最關鍵的吸收層的制備必須克服許多技術難關，目前主要方法包括：共蒸發(fā)法、濺射后硒化法、電化學沉積法、噴涂熱解法和絲網印刷法等�，F(xiàn)在研究最廣泛、制備出電池效率比較高的是共蒸發(fā)和濺射后硒化法，被產業(yè)界廣泛采用。

本征缺陷、雜質、錯配等均可影響CIGS材料的性能。制備性能優(yōu)良的CIGS太陽能電池，要盡量提高電池器件短路電流、開路電壓、包括填充因子等。由于CIGS吸收層優(yōu)異的光電特性，其短路電流一般可達30～40mA/cm2，決定短路電流的另一個主要因素就是電池器件的串聯(lián)電阻，主要由上下電極的體電阻，各層接觸電阻構成。制備器件工藝中，主要需要優(yōu)化Mo電極、低阻ZnO的制備工藝，包括各層之間的匹配。

作為異質結薄膜太陽能電池，控制其結特性將是制備高效電池核心。制備性能優(yōu)良CIGS薄膜太陽能電池的關鍵是提高器件的開路電壓。主要是盡可能減少器件的短路現(xiàn)象(漏電)。關鍵是要提高器件的并聯(lián)電阻。影響并聯(lián)電阻的主要因素有：電池內部缺陷、晶粒小、導致晶界過多、晶粒排列不緊密、層間晶格不匹配、復合中心多、電池周界的漏電流等。在制備器件中，主要是控制CIGS吸收層化學成分比，制備晶粒大、排列緊密、表面平整的吸收層；優(yōu)化過渡層CdS、緩沖層高阻ZnO的制備工藝；避免雜質、缺陷引起的復合等。

最近幾年，原子層沉積技術(ALD)快速發(fā)展，它是一種類似CVD的化學沉積制備薄膜的方法。主要優(yōu)點是制備的薄膜更加致密，缺陷更少，對襯底表面沒有任何要求。如果用這種方法制備CIGS薄膜太陽能電池的緩沖層ZnS，不僅可以實現(xiàn)電池的無鎘化，避免廢水處理等不利因素，還可以實現(xiàn)電池制備工藝的流水化。整個工藝過程可以實現(xiàn)全真空化，提高電池轉化效率，同時提高電池的生產效率。按照這一技術路線，電池組件的效率有希望達到15%到18%的水平。IBM公司的研究部門正在開發(fā)常溫下制造CIGS太陽能電池的工藝，光電轉換效率的目標也在15%以上。隨著技術的發(fā)展和研究的深入，CIGS電池的性能將會快速提高，即將成為未來薄膜太陽能組件的主流產品。