肖友鵬

摘 要：介紹了CIGS薄膜太陽(yáng)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(wú)鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對(duì)無(wú)Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池 緩沖層

中圖分類號(hào)：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yáng)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(shí)還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會(huì)吸收太陽(yáng)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(kāi)發(fā)了無(wú)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(jì)

在設(shè)計(jì)CIGS電池結(jié)構(gòu)時(shí)，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)?；蛘呱釛塱-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(lái)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)路電壓有所降低，不過(guò)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(zhǎng)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(shí)電池的開(kāi)路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒(méi)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(méi)有經(jīng)過(guò)任何的后退火或光浸潤(rùn)，效率為18.3%。同時(shí)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(kāi)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(guò)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(rùn)后電池的開(kāi)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(rùn)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?yàn)椋╖n，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過(guò)在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費(fèi)米能級(jí)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(kāi)路電壓，不過(guò)效率也有18.0%。

3 結(jié)語(yǔ)

CIGS薄膜太陽(yáng)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(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過(guò)程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價(jià)安全無(wú)毒的替代材料，無(wú)Cd緩沖層將會(huì)繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)。

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(yáng)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(wú)鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對(duì)無(wú)Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池 緩沖層

中圖分類號(hào)：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yáng)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(shí)還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會(huì)吸收太陽(yáng)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(kāi)發(fā)了無(wú)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(jì)

在設(shè)計(jì)CIGS電池結(jié)構(gòu)時(shí)，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)?；蛘呱釛塱-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(lái)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)路電壓有所降低，不過(guò)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(zhǎng)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(shí)電池的開(kāi)路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒(méi)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(méi)有經(jīng)過(guò)任何的后退火或光浸潤(rùn)，效率為18.3%。同時(shí)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(kāi)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(guò)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(rùn)后電池的開(kāi)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(rùn)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?yàn)椋╖n，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過(guò)在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費(fèi)米能級(jí)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(kāi)路電壓，不過(guò)效率也有18.0%。

3 結(jié)語(yǔ)

CIGS薄膜太陽(yáng)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(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過(guò)程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價(jià)安全無(wú)毒的替代材料，無(wú)Cd緩沖層將會(huì)繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)。

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(yáng)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(wú)鎘緩沖層電池的性能參數(shù)。最后對(duì)無(wú)Cd緩沖層電池發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池 緩沖層

中圖分類號(hào)：O472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yáng)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(shí)還能起到保護(hù)異質(zhì)結(jié)的作用。但Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生危害，CdS的禁帶寬度在2.4～2.5eV，會(huì)吸收太陽(yáng)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(kāi)發(fā)了無(wú)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(jì)

在設(shè)計(jì)CIGS電池結(jié)構(gòu)時(shí)，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)?；蛘呱釛塱-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(lái)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)路電壓有所降低，不過(guò)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(zhǎng)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(shí)電池的開(kāi)路電壓和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]沒(méi)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(méi)有經(jīng)過(guò)任何的后退火或光浸潤(rùn)，效率為18.3%。同時(shí)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(kāi)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(guò)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(rùn)后電池的開(kāi)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(rùn)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?yàn)椋╖n，Sn）Oy的禁帶寬度達(dá)到了3.3eV，增強(qiáng)了光的吸收。不過(guò)在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面處的費(fèi)米能級(jí)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(kāi)路電壓，不過(guò)效率也有18.0%。

3 結(jié)語(yǔ)

CIGS薄膜太陽(yáng)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(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)前電池生產(chǎn)過(guò)程中要使用CdS作為電池的緩沖層材料，Cd是有毒元素，對(duì)環(huán)境會(huì)造成影響。許多研究機(jī)構(gòu)都在尋找廉價(jià)安全無(wú)毒的替代材料，無(wú)Cd緩沖層將會(huì)繼續(xù)成為研究熱點(diǎn)。

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