CuInSe2薄膜太阳能电池及其性质

新能源２０００．２２（６）一３６～３８

ＣｕＩｎＳｅ２薄膜太阳能电池及其性质。

张寅

（山东教育学院数理系，济南２５００１３）

摘要简连了ＣｕｌｎＳｅ２（ＣＩＳ）薄膜太阳能电池发展历史和现状．描莲了这种太阳耗电池的制备过程，井时其性质散了讨论。

关键词ＣｕｌｎＳｅ？太阳娆电池薄膜太阳能电池光伏

０引言

展望２１世纪全球的能源结构，各种各样的新能源所占比重会变得越来越大，其中太阳能电池所占的比重将非常显著。

太阳能电池的利用当今仍主要在航天以及一些特殊的场合。造成这种状况的原因是其本身造价太高，而如何降低成本是一个复杂的问题。就材料的选择而言，考虑的因素有禁带宽度、吸收系数、少数载流子寿命和表面离子的复合速度等．利用光伏效应发电、以晶体硅为基体的太阳能电池一直占据统治地位．但为了降低成本．出现了非晶硅薄膜太阳能电池。近年来，以复合半导体为基体的薄膜太阳能电池引起人们的关注。目前发展最好的是ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ！为基体的太阳能电池。薄膜太阳能电池的优越性体现在；耗材少，衬底便宜．生产能耗低．并可以镀在各种形状的大面积的衬底上，世主要的是有较高的效率。ＣｕＩｎＳｅ。在实验室条件下的效率已经能够达到１８孵“。

１ＣｕＩｎＳｅ：薄膜太阳能电池的发展历史和现状

ＣｕｌｎＳｅ。（ＣＩＳ）做为薄膜太阳能电池材料，最初引起人们兴趣的是由于Ｗａｎｇｎｅｒ等人［２３发现ＣＩＳ单晶有１２％的效率。尽管ＣＩＳ的禁带宽度不高．但具有较高的光吸收系数，所以在当时被认为是极具潜力的新型薄膜太＊山东省自然科学基金资助硬目（项目号Ｙ９８Ａ１５０１８）

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阳能电池材料，吸引了许多人去从事这方面的研究。Ｋａｚｍｅｒｓｋｉ［３３就曾经做出６＋６％电池效率的ＣＩＳ薄膜太阳能电池。

以后，ｃ１Ｓ真正引起人们重视是因为在１９８２年Ｂｏｅｉｎｇ［１１公司用物理蒸发法将效率提高到１０．６％。该公司首先在衬底上镀了一层Ｍｏ背接触。为了得到高质量的吸收层结构，在镀ＣＩＳ膜的开始状态采取了Ｃｕ富有的方法，得到良好的效果。更为关键的是，为了改变带隙，引入能够形成异质结的材料（ＣｄＳ），使电池的开路电压和光致电流都得到了不同程度的提高，从而达到提高电池效率的目的。Ｂｏｅｉｎｇ公司为了进一步提高效率，提出了用Ｇａ来替代Ｉｎ，研制出的Ｃｕ（Ｉｎ—Ｇａ）Ｓｅ２（ＣＩＧＳ）合金膜的效率是１４．６％。这种多元化合物的带隙较宽，结构的可选择性较大。莸们有理由相信，随着对表面及内部结构及性质的不断研究，必将得到更高效率的ＣＩＧＳ薄膜太阳能电池。

２ＣＩＳ薄膜太阳能电池的制备

目前，ＣＩＳ膜（主要指吸收层）的制备可以采用许多方法，常见的有ｎ］：①真空蒸发或溅射法；②化学气相热介喷涂法；③电镀或沉积Ｃｕ和Ｉｎ，然后用Ｈ。ｓｅ处理，把它换成ＣｕＩｎＳｅ。。位于德国斯图加特市的太阳能和氢能研究所（ｚｓｗ），多年来一直致力于ＣＩＳ膜的研制和技术推广。下面描述的是该研究所

制备ＣＩＳ膜的过程“。。

首先将衬底按照希望的面积进行切割并清洗，在清洗的衬底上镀一层Ｍｏ背接触，采用的方法是磁控溅射法。用激光刻蚀对背接触进行刻蚀。接下来可以用真空共源蒸发法在衬底上镀ＣＩＳ膜。为了保证结晶有较好的质量，衬底必须保持较高的温度（５００。Ｃ左右）。衬底放在特殊的支架上以防高温引起变形。在支架上，衬底以均匀速率相对于不动的源移动，整个过程在计算机的控制下，以便确保生长出符合要求的膜。这些要求中包括期望的化学组分、厚度以及在整个平面上各种性能的均匀性。在ＣＩＳ膜上还需要镀一层ＣｄＳ缓冲层，化学浸泡沉积法（ＣＢＤ）是经常采用的方法。缓冲层的作用是为了生成异质结。用磁控溅射法镀ＺｎＯ前电极，ＺｎＯ电极仍然被认为是目前透明电极的最佳选择。机械刻蚀法可以对电池进行最后刻蚀。至此完成整个电池的制备。

从以上整个过程的每一步来看，应该说技术上是成熟的，并且是最优化的，可以认为是高成本的实验室条件下的制备过程。而制备大面积ＣＩＳ膜遇到的主要障碍是降低生产成本。所以，当前面临的问题就是寻找～种廉价的大规模生产方法，这种方法必须保证生产出的膜有较高的质量，因为ＣＩＳ膜生长过程中很容易出现杂相。

５ＣＩＳ薄膜太阳能电池的性质

从ｘ光衍射图可以发现ＣＩＳ是多晶薄膜。分别用电子探针和俄歇谱仪观察薄膜的形貌，观察到样品的晶粒是均匀的，晶粒的大小一般为Ｉ～２ｐｍｕＪ。ＣＩＳ的光学性能体现在对可见光有较高的吸收系数，为带隙半导体，满足直接带间跃迁条件”］。为了提高效率。很重要的一点是控制吸收层内的载流于的浓度．最佳载流子浓度是１０“～１０”／ｃｍ３。载流子的类型及浓度的直接体现是ＣＩＳ薄膜的电学性质，实验结果证实电学性质主要受自然缺陷以及化学组分偏差的影响ｏ］。在电学性能中，导电类型的转变是最为明显的．随着Ｉｎ组分的增加，薄膜从Ｃｕ富有向Ｉｎ富有转变，导电类型也完成从Ｐ型向ｎ型的转变，并且在Ｉｎ／Ｉｎ＋Ｃｕ一０．５处会出现突变。另外．Ｇａ的引入也会引起导电类型的转变。当吸收层中不含有Ｇａ时，薄膜可以是ｎ型或Ｐ型。以Ｇａ替代Ｉｎ，薄膜的导电类型只是Ｐ型，增加替代组分Ｇａ，转变效果会随之削弱，直至Ｇａ完全替代Ｉｎ，转变效果也会完全消失。控制Ｃｕ／Ｉｎ比率，还可以调整表面的化合物的成分，因为Ｃｕ主要与ｓ发生反应，而Ｉｎ主要与ｓｅ反应，Ｃｕ富有时晶粒的大小比Ｉｎ富有时要大，这一结果是通过薄膜的形貌分析得到的。所以，调整Ｃｕ／Ｉｎ比率将影响膜的微观结构、晶粒的大小、结晶的趋向和晶体内在的缺陷等，这一切将对薄膜电学性能产生极大的影响。在制备ＣＩＳ薄膜太阳能电池的过程中，遇到的另一个主要问题是吸收层是～个多元化合物的复合系统。借助相图及ｘ射线光电谱仪（ＸＰＳ）等实验手段，可以肯定的是杂相的形成和发展有助于薄膜和半导体性能的提高，但杂相的出规给研究分析带来一定难度，所以在这方面仍有许多工作可做０１。

４结语

总之，尽管ＣＩＳ薄膜太阳能电池已经取得了很大进展，但无论是在理论上、实验上还是在大规模生产上都还有许多工作要做，特别是国内在这方面的工作刚刚起步。真诚希望我国能有更多的人从事这方面的研究，以便跟上其最新发展，让ＣＩＳ薄膜太阳能电池在我国的现代化建设中发挥更大的作用。

参考文献

ｌｓｃｈｏｃｋＨＷ，ＳｈａｈＡＢａｒｃｅｌｏｎａ：１４ｔｈＥＨｒｏ—ｐｅａｎ

ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１９９７

２ＷａｎｇｎｅｒＳ，ｅｔａ１．ＡｐｐＩＰｈｙｓＬｅｔｔ，１９７４，２５：４３４

３ＫａｚｍｅｒｓｋｉＬＬ．ｅｔａｌＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎ

Ｍｉ—ｃｒｏｓｃｏｐｙ－１９８３·３

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