日本產業綜合技術研究所CIGS太陽電池研究新進展

陳梅

日本產業綜合技術研究所CIGS太陽電池研究新進展

陳梅

日本產業綜合技術研究所等利用濺涂法制作緩沖層，提高CIGS太陽電池效率

產業技術綜合研究所(產綜研)等于2013年3月發表了僅利用干法制作出不含鎘的銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池，得到與以往使用濕法的手段(溶液成長法)時接近的光電轉換效率。詳細的內容已經在3月27日～30日神奈川工科大學召開的《第60次應用物理學會》的春季演講會上發表。

CIGS太陽電池是光電轉換效率高且年劣化量少并具有長期信賴性特征的高性能薄膜太陽電池的一種。近年來多家廠商正推進其量產化進程。擔負決定太陽電池性能的pn結形成存在于緩沖層，也是CIGS太陽電池高效率化的重要因素之一。目前量產的CIGS太陽電池中光吸收層的CIGS是通過干法多元蒸鍍或噴濺硒的方法形成的，緩沖層使用濕法的溶液成長法(CBD法)形成硫化鎘(CdS)的手段生成。但是CdS中含有有害物質C d，為了減少對環境的污染，要求緩沖層無鎘化。而且干法形成的緩沖層的研究也在進行中，CIGS太陽電池的量產工程的適用探討正在進行中，大規模量產化成功的例子目前為止還沒有報道。

為實現CIGS太陽電池緩沖層的無鎘化，已經有了如下報道，即采用溶液成長法，形成的硫化鋅或氧化鋅(ZnO,S)，硫化銦的緩沖層接近含硫化鎘緩沖層的光電轉換效率。雖然有了若干報道，但CIGS太陽電池用干法濺涂形成的緩沖層，還沒能達到高光電轉換效率。

此次研究希望僅利用噴濺法合成CIGS太陽電池不含鎘的緩沖層。采用多元蒸鍍三階段法制成與以往利用溶液成長法合成含CdS緩沖層的小面積CIGS太陽單體同樣大小的CIGS太陽電池，這個單體作為比較對象，僅在緩沖層利用噴濺法合成ZnMgO進行替換，令其組成與成膜條件最適合化，僅用噴濺法形成緩沖層的太陽電池光電轉換效率達到16.2%，如圖1所示。

CIGS太陽電池單體的構成如圖2所示，干法噴濺形成ZnMgO接觸層的CIGS太陽電池特性如圖3所示，這個實驗值與利用以往技術形成緩沖層太陽電池光電轉換效率的17.5%相近。證明了即使在無鎘狀態工藝下也能成功制成具有高光電轉換效率的CIGS太陽電池。今后研究小組將進一步提高光電轉換效率，同時研制出適用于大面積基板及開發出更加企業化的裝置。

圖1 （a）利用干法濺涂制作緩沖層的CIGS小面積單體；（b）太陽電池的特性

圖2 此次開發的CIGS太陽電池單體構成

圖3 干法噴濺形成ZnMgO接觸層的CIGS太陽電池特性(具有反射防止膜)

產業綜合研究所CIGS太陽電池輔助組件轉換效率達到18.34%

產綜研2013年9月發布了制成3 cm×2 cm基板尺寸的CIGS太陽電池，其輔助組件轉換效率達到18.34%，如圖4所示。此成果是由產業綜合研究所太陽能發電工學研究中心先端產業工藝高效化小組柴田肇研究員、上川由紀子特別研究員、小牧弘典研究員等共同研制的。

圖4 轉換效率為18.34%的CIGS太陽電池輔助組件的外觀

CIGS太陽電池以利用2 mm厚度的光吸收層可吸收足夠的光，基板具有可利用廉價的玻璃或金屬薄膜等優點，作為低成本且高轉換效率的太陽電池而備受關注。近來生產線制作出來的125.7 cm×97.7 cm2尺寸組件的轉換效率達到14.6%，量產水平的太陽電池組件轉換效率正在提高，一般的太陽電池組件的轉換效率(世界最高轉換效率為15.7%)比小面積單體(最高轉換效率為20.4%)低，如表1所示。組件與小面積單體的制作方法和結構的不同點很多，使其造成轉換效率損失的原因比較復雜。

輔助組件是小面積單一單體與組件的中間位置存在的物質，通過對輔助組件集聚化伴隨著本質的轉換效率損失的原因進行探索，采取改進措施。一般已經商品化的產品采用激光劃線或機械劃線等進行集聚化工程，控制集聚化過程中伴隨著特性損失的研究正在進行中。此次研究使集聚化結構的提高改良得到一定進展，是集聚化技術與高品質CIGS光吸收層制膜技術的匯集組合。

表1 CIGS太陽電池的結構及各部分對應的主要轉換效率和面積

此次的CIGS太陽電池輔助組件一般使用碳酸鈉氧化鈣玻璃基板，光吸收層使用高性能的CIGS制膜技術，制成表面微小空隙較少的平面平坦、均勻、質量好的光吸收層。CIGS光吸收層的表面及CIGS光吸收層/鉬內部電極的斷面掃描電鏡照片如圖5所示。

圖5 掃描電鏡照片

此次制作的太陽電池輔助組件是4個太陽電池單體呈直列連接集聚的結構。這種集聚構造中(P1)處為Mo內部電極，用激光劃線進行切割；(P2)處為緩沖層/CIGS光吸收層，利用機械劃線進行切分；(P3)處為透明導電膜/緩沖層/CIGS光吸收層的機械劃線切割，以此方法形成集聚化結構，此次制作的太陽電池輔助組件的斷面如圖6所示。

這種分割出來的區域成為無太陽電池光電流生成的盲區，是光電流損失產生的原因。本次采用的分割劃線圖案形狀條件最適合化，使集聚化工程導入的電流損失控制在最小的同時，盲區的光學損失也力爭降低。高集聚化技術和高品質CIGS光吸收層制膜技術結合的結果，作為CIGS太陽電池輔助組件，轉換效率超過18%，實現了18.34%的目標。開路電壓為2.963 V，光短路電流：29.05 m A、填充因子為76.2%、指定面積為3.576 cm2，如圖7所示。

圖6 此次制作的太陽電池輔助組件的斷面簡圖

圖7 此次制作的輔助組件的轉換效率在評價機構的公式記錄數據

今后研究小組將此次確立的高集聚化技術及高品質光吸收層制膜技術應用于大面積CIGS太陽電池輔助組件或柔軟的太陽電池輔助組件中，進一步推進CIGS太陽電池輔助組件的高效率化高技能化的進程。