柔性襯底銅銦鎵硒太陽能電池研究進(jìn)展

　　柔性襯底銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池以其生產(chǎn)成本低、光電轉(zhuǎn)化率高以及更多的應(yīng)用可能性等優(yōu)勢成為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ谋∧ぬ�陽能電池。對柔性襯底CIGS太陽電池的結(jié)構(gòu)、特性以及襯底材料作了簡單介紹。分析了多元共蒸發(fā)法、金屬預(yù)置層后硒化法以及非真空沉積法等CIGS光吸收層制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并簡要闡述了鈉的摻雜與絕緣層材料的使用。綜述了柔性襯底CIGS太陽能電池近年來的研究進(jìn)展，最后就柔性襯底CIGS太陽能電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化過程中存在的問題作了分析與歸納。

　　與剛性玻璃基板襯底相比而言，柔性襯底銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池具有下述諸多優(yōu)點(diǎn)。柔性襯底CIGS太陽能電池質(zhì)量更輕，可以適用于不平坦的表面上，并可以在不使用時(shí)進(jìn)行折疊放置。柔性襯底CIGS模塊靈活和輕便的打開方式也增加了其它在地面和空間新的應(yīng)用可能性。并且在運(yùn)輸，安裝，維修，拆卸方面，柔性襯底CIGS太陽能電池由于重量輕所以更具靈活性。但基于銦金屬資源的稀缺性，CIGS太陽能電池不能成為太陽能光伏的主體，而是更多的應(yīng)用在軍工裝備等特殊情況，如單兵便攜式移動(dòng)通信充電裝置。從工業(yè)生產(chǎn)的角度來看，制造CIGS太陽能電池模塊的roll-to-roll過程具有相當(dāng)大的潛在成本優(yōu)勢，使CIGS太陽電池組件批量生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。不同類型柔性基板的選擇以及具體制備工藝對CIGS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是至關(guān)重要的。不同的制備技術(shù)包括蒸發(fā)，濺射，電沉積，絲網(wǎng)印刷等制備出的CIGS模塊，如何更為協(xié)調(diào)的互連和封裝，也是至關(guān)重要的一個(gè)產(chǎn)業(yè)化課題。當(dāng)前全球超過20個(gè)機(jī)構(gòu)正在參與柔性襯底CIGS太陽能電池中試生產(chǎn)線的開發(fā)與建立，且各自具有不同的目標(biāo)。由于成分多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝中某一項(xiàng)參數(shù)略有偏差，則材料的電學(xué)性能和光學(xué)性能變化很大，制備過程較難控制，因此，目前柔性襯底CIGS太陽能電池制備技術(shù)處于真空和非真空并行發(fā)展的中試階段。本文對柔性襯底CIGS太陽能電池的結(jié)構(gòu)、特性以及襯底材料作了簡單介紹，綜述了柔性CIGS太陽能電池近年來的研發(fā)現(xiàn)狀，最后就柔性CIGS太陽能電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化過程中存在的問題進(jìn)行了分析與歸納。

1、柔性CIGS太陽能電池結(jié)構(gòu)與襯底

　　典型的柔性CIGS太陽能電池結(jié)構(gòu)包括柔性襯底;背電極(Mo)，具有比較好的結(jié)晶度和表面電阻;光吸收層(CIGS)，為黃銅礦結(jié)構(gòu)的p型半導(dǎo)體薄膜;n型半導(dǎo)體緩沖層(CdS)，以及透明導(dǎo)電的窗口層(高-iZnO與ZnO:Al薄膜)。p型CIGS和n型CdS及高阻n型-iZnO形成p-n異質(zhì)結(jié)，是CIGS太陽能電池的核心層。最后用電子束蒸發(fā)制備Ni/Al電極，并在上面再覆蓋一層增透膜MgF2。圖1所示為聚酰亞胺(PI)襯底CIGS太陽能電池掃描電鏡(SEM)照片。作為CIGS太陽能電池的柔性襯底材料通常需要滿足以下基本條件:¹熱穩(wěn)定性，能承受制備吸收層時(shí)的高溫環(huán)境，同時(shí)要有與電池的吸收層材料相近的熱膨脹系數(shù);º化學(xué)穩(wěn)定性，制備吸收層時(shí)，不與Se反應(yīng)，在CBD法制備CdS時(shí)不會分解;»真空適應(yīng)性，真空中加熱時(shí)不放氣;¼適合卷繞工藝。目前使用的柔性襯底材料有聚酰亞胺和金屬襯底(主要有鈦、鉬、不銹鋼、銅和鋁等金屬箔材料)。

圖1 聚酰亞胺襯底CIGS太陽能電池SEM照片

　　瑞士聯(lián)邦材料測試與開發(fā)研究所(EMPA)的Ayodhya教授及其所帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)制造出了轉(zhuǎn)化效率18.7%的柔性CIGS太陽能電池，并獲得了德國佛朗霍恩斯太陽能系統(tǒng)研究院的獨(dú)立認(rèn)證，居各種柔性襯底薄膜電池光電轉(zhuǎn)化效率之首�，F(xiàn)階段柔性襯底CIGS太陽能電池的研究熱點(diǎn)是通過改進(jìn)工藝條件或流程提高光吸收層的附著性，優(yōu)化摻Na工藝，抑制高溫沉積條件下金屬襯底中Fe等元素對器件性能的影響，以及改善在襯底上低溫沉積的CIGS薄膜性質(zhì)。目前，美國及歐洲國家的一些生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了柔性CIGS薄膜電池組件的rol-ltoroll制備，并具備了兆瓦級的中試生產(chǎn)能力，如表1所示。但各企業(yè)產(chǎn)品的成品率還有待于提高，還需要對roll-to-roll工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，對組件級聯(lián)技術(shù)及封裝技術(shù)進(jìn)行研究。

表1 柔性襯底CIGS太陽電池生產(chǎn)企業(yè)

　　以柔性金屬為襯底的CIGS太陽能電池為實(shí)現(xiàn)單片集成的大面積光伏組件，需要在金屬襯底和背電極Mo之間制備絕緣阻擋層;研究表明，絕緣的氧化物Al2O3和SiOx等是較好的材料。絕緣的氧化層除了在單片集成電池和金屬襯底之間作為電絕緣層，同時(shí)還是金屬襯底和電池之間的擴(kuò)散阻擋層。南開大學(xué)張力研究了柔性不銹鋼襯底CIGS太陽能電池中的Cr擴(kuò)散阻擋層。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cr阻擋層能夠部分阻擋Fe等雜質(zhì)從不銹鋼襯底熱擴(kuò)散進(jìn)入CIGS光吸收層中，同時(shí)可以顯著降低CIGS光吸收層的粗糙度，提高薄膜結(jié)晶質(zhì)量，所得柔性不銹鋼襯底CIGS太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.7%。幾種柔性襯底及絕緣的氧化物的熱膨脹系數(shù)(CTE)和密度見表2所列。

表2 幾種柔性襯底及絕緣的氧化物的熱膨脹系數(shù)和密度

4、結(jié)束語

　　柔性襯底CIGS太陽能電池近幾年來無論是在研究方面還是在產(chǎn)業(yè)化方面都取得了很大的進(jìn)步。伴隨著多家公司相繼實(shí)現(xiàn)柔性CIGS太陽能電池的中試生產(chǎn)，柔性CIGS太陽能電池的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用都已經(jīng)邁上了一個(gè)新的臺階，其光電轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)品的成品率以及單片電池面積都不斷獲得提升。柔性CIGS太陽能電池正在逐步從實(shí)驗(yàn)室走向廣闊的商業(yè)化應(yīng)用。就目前柔性襯底CIGS太陽能電池的狀況來分析，柔性CIGS太陽能電池的研究應(yīng)注重兩個(gè)方面。一是加緊研發(fā)與試制柔性封裝材料，提升柔性CIGS太陽能電池在柔性和輕質(zhì)量上的優(yōu)勢;二是系統(tǒng)化地研究rol-lto-roll制備工藝與裝備，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進(jìn)程。