CIGS薄膜太陽能電池?zé)oCd緩沖層研究進(jìn)展

肖友鵬

摘 要：介紹了CIGS薄膜太陽能電池?zé)oCd緩沖層Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究現(xiàn)狀及制備方法，分析了采用無鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對無Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽能電池 緩沖層

中圖分類號：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO結(jié)構(gòu)的CIGS薄膜太陽能電池，CdS作為緩沖層能阻止分流路徑，與CIGS吸收層之間有相近的晶格匹配，能形成良好的導(dǎo)帶帶階，在濺射ZnO時還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對環(huán)境會產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會吸收太陽光譜中350～550 nm的高能光子，導(dǎo)致光學(xué)損耗。近年人們研究和開發(fā)了無Cd緩沖層材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計CIGS電池結(jié)構(gòu)時，可以繼續(xù)保留i-ZnO/AZO窗口層，也可以采用ZnO：B作為透明導(dǎo)電層，ZnO：B有更高的遷移率和更低的吸收系數(shù)。或者舍棄i-ZnO薄膜，直接在緩沖層上沉積AZO或ZnO：B，這有利于減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。表1列出了不同緩沖層CIGS電池的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

2 CIGS電池性能參數(shù)分析

緩沖層的制備技術(shù)主要包括化學(xué)水浴法（CBD）等濕法工藝，物理氣相沉積（PVD）如濺射和化學(xué)氣相沉積（CVD）如原子層沉積（ALD）等干法工藝。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法來生長Zn（O，S），非常容易植入常規(guī)CIGS電池工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光譜響應(yīng)，與CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波長范圍內(nèi)增加了透光率，使得量子效率和短路電流得到顯著提高，但開路電壓有所降低，不過效率還是達(dá)到了19.1%。M.Nakamura等人[3]認(rèn)為引入ZnO：B可以降低載流子在界面處的復(fù)合，從而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工藝沉積的Zn（O，S）致密、禁帶寬度和透光率高。D.Hariskos等人[5]發(fā)現(xiàn)采用ALD工藝在CIGS層上生長Zn（O，S）的速率和覆蓋率與CIGS表面組分有關(guān)，CIGS表面從含硫組分改性為含組分時電池的開路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒有沉積i-ZnO層，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉積Zn（O，S），沒有經(jīng)過任何的后退火或光浸潤，效率為18.3%。同時還發(fā)現(xiàn)Ga成分決定了吸收層的禁帶寬度，進(jìn)而導(dǎo)致了不同的開路電壓，所以電池的效率由吸收層特性決定。

A.Hultqvist等人[7]通過改變（Zn，Mg）O中Mg的含量從而調(diào)節(jié)其禁帶寬度，不含Mg的純ZnO緩沖層進(jìn)行光浸潤后電池的開路電壓得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O緩沖層的電池進(jìn)行光浸潤后則填充因子明顯上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后電池的短路電流有所提高，這是因為（Zn，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費米能級靠近禁帶中央，增強(qiáng)了界面處的復(fù)合作用，從而降低了開路電壓，不過效率也有18.0%。

3 結(jié)語

CIGS薄膜太陽能電池具有優(yōu)異的光電性能，研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對環(huán)境會造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價安全無毒的替代材料，無Cd緩沖層將會繼續(xù)成為研究熱點。

參考文獻(xiàn)

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，F(xiàn)L， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，F(xiàn)rance，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint

摘 要：介紹了CIGS薄膜太陽能電池?zé)oCd緩沖層Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究現(xiàn)狀及制備方法，分析了采用無鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對無Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽能電池 緩沖層

中圖分類號：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO結(jié)構(gòu)的CIGS薄膜太陽能電池，CdS作為緩沖層能阻止分流路徑，與CIGS吸收層之間有相近的晶格匹配，能形成良好的導(dǎo)帶帶階，在濺射ZnO時還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對環(huán)境會產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會吸收太陽光譜中350～550 nm的高能光子，導(dǎo)致光學(xué)損耗。近年人們研究和開發(fā)了無Cd緩沖層材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計CIGS電池結(jié)構(gòu)時，可以繼續(xù)保留i-ZnO/AZO窗口層，也可以采用ZnO：B作為透明導(dǎo)電層，ZnO：B有更高的遷移率和更低的吸收系數(shù)。或者舍棄i-ZnO薄膜，直接在緩沖層上沉積AZO或ZnO：B，這有利于減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。表1列出了不同緩沖層CIGS電池的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

2 CIGS電池性能參數(shù)分析

緩沖層的制備技術(shù)主要包括化學(xué)水浴法（CBD）等濕法工藝，物理氣相沉積（PVD）如濺射和化學(xué)氣相沉積（CVD）如原子層沉積（ALD）等干法工藝。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法來生長Zn（O，S），非常容易植入常規(guī)CIGS電池工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光譜響應(yīng)，與CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波長范圍內(nèi)增加了透光率，使得量子效率和短路電流得到顯著提高，但開路電壓有所降低，不過效率還是達(dá)到了19.1%。M.Nakamura等人[3]認(rèn)為引入ZnO：B可以降低載流子在界面處的復(fù)合，從而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工藝沉積的Zn（O，S）致密、禁帶寬度和透光率高。D.Hariskos等人[5]發(fā)現(xiàn)采用ALD工藝在CIGS層上生長Zn（O，S）的速率和覆蓋率與CIGS表面組分有關(guān)，CIGS表面從含硫組分改性為含組分時電池的開路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒有沉積i-ZnO層，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉積Zn（O，S），沒有經(jīng)過任何的后退火或光浸潤，效率為18.3%。同時還發(fā)現(xiàn)Ga成分決定了吸收層的禁帶寬度，進(jìn)而導(dǎo)致了不同的開路電壓，所以電池的效率由吸收層特性決定。

A.Hultqvist等人[7]通過改變（Zn，Mg）O中Mg的含量從而調(diào)節(jié)其禁帶寬度，不含Mg的純ZnO緩沖層進(jìn)行光浸潤后電池的開路電壓得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O緩沖層的電池進(jìn)行光浸潤后則填充因子明顯上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后電池的短路電流有所提高，這是因為（Zn，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費米能級靠近禁帶中央，增強(qiáng)了界面處的復(fù)合作用，從而降低了開路電壓，不過效率也有18.0%。

3 結(jié)語

CIGS薄膜太陽能電池具有優(yōu)異的光電性能，研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對環(huán)境會造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價安全無毒的替代材料，無Cd緩沖層將會繼續(xù)成為研究熱點。

參考文獻(xiàn)

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，F(xiàn)L， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，F(xiàn)rance，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint

摘 要：介紹了CIGS薄膜太陽能電池?zé)oCd緩沖層Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究現(xiàn)狀及制備方法，分析了采用無鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對無Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽能電池 緩沖層

中圖分類號：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO結(jié)構(gòu)的CIGS薄膜太陽能電池，CdS作為緩沖層能阻止分流路徑，與CIGS吸收層之間有相近的晶格匹配，能形成良好的導(dǎo)帶帶階，在濺射ZnO時還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對環(huán)境會產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會吸收太陽光譜中350～550 nm的高能光子，導(dǎo)致光學(xué)損耗。近年人們研究和開發(fā)了無Cd緩沖層材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計CIGS電池結(jié)構(gòu)時，可以繼續(xù)保留i-ZnO/AZO窗口層，也可以采用ZnO：B作為透明導(dǎo)電層，ZnO：B有更高的遷移率和更低的吸收系數(shù)。或者舍棄i-ZnO薄膜，直接在緩沖層上沉積AZO或ZnO：B，這有利于減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。表1列出了不同緩沖層CIGS電池的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

2 CIGS電池性能參數(shù)分析

緩沖層的制備技術(shù)主要包括化學(xué)水浴法（CBD）等濕法工藝，物理氣相沉積（PVD）如濺射和化學(xué)氣相沉積（CVD）如原子層沉積（ALD）等干法工藝。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法來生長Zn（O，S），非常容易植入常規(guī)CIGS電池工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光譜響應(yīng)，與CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波長范圍內(nèi)增加了透光率，使得量子效率和短路電流得到顯著提高，但開路電壓有所降低，不過效率還是達(dá)到了19.1%。M.Nakamura等人[3]認(rèn)為引入ZnO：B可以降低載流子在界面處的復(fù)合，從而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工藝沉積的Zn（O，S）致密、禁帶寬度和透光率高。D.Hariskos等人[5]發(fā)現(xiàn)采用ALD工藝在CIGS層上生長Zn（O，S）的速率和覆蓋率與CIGS表面組分有關(guān)，CIGS表面從含硫組分改性為含組分時電池的開路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒有沉積i-ZnO層，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉積Zn（O，S），沒有經(jīng)過任何的后退火或光浸潤，效率為18.3%。同時還發(fā)現(xiàn)Ga成分決定了吸收層的禁帶寬度，進(jìn)而導(dǎo)致了不同的開路電壓，所以電池的效率由吸收層特性決定。

A.Hultqvist等人[7]通過改變（Zn，Mg）O中Mg的含量從而調(diào)節(jié)其禁帶寬度，不含Mg的純ZnO緩沖層進(jìn)行光浸潤后電池的開路電壓得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O緩沖層的電池進(jìn)行光浸潤后則填充因子明顯上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后電池的短路電流有所提高，這是因為（Zn，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費米能級靠近禁帶中央，增強(qiáng)了界面處的復(fù)合作用，從而降低了開路電壓，不過效率也有18.0%。

3 結(jié)語

CIGS薄膜太陽能電池具有優(yōu)異的光電性能，研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對環(huán)境會造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價安全無毒的替代材料，無Cd緩沖層將會繼續(xù)成為研究熱點。

參考文獻(xiàn)

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，F(xiàn)L， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，F(xiàn)rance，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint