1.CIGS太阳电池的低成本制备工艺

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1、非晶硅薄膜电池(a-Si)、铜铟镓硒电池(CIGS)、碲化镉(CdTe)是三种主流的薄膜太阳能电池CIGS太阳电池的低成本制备工艺摘要：目前铜铟镓硒（CIGS）太阳电池的工业化生产基本采用真空技术制备，需要很大的设备投资，生产周期长，增加了生产成本。详细介绍了几种具有潜在应用前景的低成本直接制备工艺：电沉积、丝网印刷、热解喷涂。这几种方法都使用简单、快速的非真空设备，预组装成分子级别的前驱物层，经化学或热处理形成CIGS薄膜。前驱物的选择，杂相的去除，以及后处理条件是影响非真空工艺的关键因素。　　直接利用太阳能发电是最有可能在不久的将来大规模应用的绿色、安全可再生能源产品之一。但是与传统的化石

2、能源发电相比，利用太阳能来发电的成本仍然过高。目前光伏研发主要还是集中在空间以及偏远地区的离网发电上的小规模应用。　　在众多的光伏材料中，新一代的多晶铜铟镓硒（CIGS）太阳电池显示出了很多优势，如吸收系数高、带隙可调、转换效率高、晶界效应等，因而受到各国的关注。典型的CIGS电池结构如图1所示，主要由钼/glass、CIGS吸收层、薄CdS或ZnS等缓冲层、本征ZnO和掺Al的低阻ZnO做为窗口层、MgF2抗反射层组成。其中吸收层材料是影响电池光电转化效率的关键层。　　目前效率处于领先状态的CIGS光伏吸收层材料都是在真空条件下沉积制得的，如共蒸法或者溅射工艺。但是真空技术需要的设备投资比较

3、大，增加了太阳电池的成本，不利于大规模开发利用。假如这些步骤能被电沉积（Electrodeposition）、丝网印刷（Screenprinting）和喷涂热解（SprayPyrolysis）等非真空沉积技术所代替，那么整个太阳电池成本就会有显著地降低。通常吸收层是沉积在钠玻璃衬底上的，而现在的研究开发越来越趋向于使用聚合物或金属薄膜作为衬底材料沉积吸收层，使用这些柔性衬底能使CIGS太阳电池更适用于建筑和空间电站，也更方便采用卷绕技术（Roll-to-roll），而进一步降低成本。　　本文从低成本制备CIGS光伏吸收层材料的角度出发，着重介绍了初期投资成本小的非真空制备技术（电沉积、丝网印刷

4、和热解沉积工艺）。　　一、真空CIGS沉积工艺　　首先简单介绍一下真空CIGS沉积工艺。真空CIGS沉积工艺主要指共蒸（Co-evaporation）技术和溅射（Sputtering）技术。精密的真空技术可以严格的控制组分，从而达到所需的组成要求。CIGS太阳能电池转换效率的最高记录就是通过“三态共蒸工艺”（Three-stageco-evaporationprocess）获得的，其转化效率达到了21.5%。目前三态共蒸工艺尚未得到工业化应用，但是已有其他共蒸工艺在工业上取得了成功。德国的WurthSolar公司采用Cu、In、Ga、Se共蒸，然后再二次硒化的方法，制得的CIGS太阳电池平均转

5、化效率8.5%。　　与WurthSolar公司的工艺不同，ShellSolar（壳牌）和ShowaShell（昭和）采用另外一条生产路线：先将Cu、In、Ga溅射成薄膜得到前驱物，然后再控制反应气氛（H2Se或H2S）进行硒化退火，所以也可以称为“二态工艺”（Two-stageprocess）。“二态工艺”很难控制带隙梯度，但是得到的大面积（30cm×30cm）器件效率还是大于14%，同时其产率比较大，显示出较强的竞争优势。表1简单比较了两种真空技术的制备过程。虽然这些真空沉积技术能制备出转化效率高的CIGS薄膜，但是由于精密的真空设备需要很大的设备投资，而且真空沉积技术的产率不具优势，使得太

6、阳电池的成本较高，难以推广应用。因此越来越多的研究人员把目光投向低成本工艺。　　二、低成本工艺　　低成本工艺通常指非真空技术，如电沉积、丝网印刷和喷涂热解等，其设备投资小、原料利用率高、生长速度快。用低成本工艺制备CIGS太阳电池具有非常大的吸引力。表2列出了3种低成本非真空沉积技术制备吸收层材料的9大致过程。但目前来说用低成本工艺制作电池的最重要也是最复杂的部分（CIGS光伏吸收层材料）还是一项具有挑战性的工作。　　与溅射技术类似，低成本工艺通常都采用二步法，即首先在低温基底上直接形成CIGS化合物前驱体，然后热处理硒化前驱物。第一步中得到的材料通常都存在杂质相，而且由于沉积温度低（<400

7、℃），前驱物大多是无定型态或者是微晶态，通过第二步的热处理可以提升材料的质量。在非真空条件下沉积吸收层，必须精心挑选前驱物和添加剂，以避免沉积不期望的组分。　　1、电沉积　　①电沉积薄膜　　电沉积是一种电化学过程。目前电沉积单一金属元素已经比较成熟，但是对于电沉积多元金属，特别是多元化合物半导体还是非常困难。研究者们在电沉积合成半导体材料领域做了很多的工作，也取得了不少成绩。2001年BPSola