喻善均

摘要：综述了目前国际上研究得最多的几种薄膜太阳能电池材料的研究现状和各自的最新进展，包括硅基类（非晶硅、多晶硅、微晶硅）、无机化合物类（碲化镉、铜铟硒、砷化镓）、有机类、染料敏化（二氧化钛、氧化锌）等，并从材料、工艺和转换效率等方面比较和讨论了它们各自性能的优劣，最后展望了这些薄膜太阳能电池材料未来的研究方向及应用前景。

关键词：薄膜太阳能电池

引言

近年来，环境污染和能源衰竭等问题与全球经济发展之间的矛盾越来越突出，加上人类对可再生能源的不断需求，这样就促使人们致力于开发新的能源。太阳能作为一种可再生能源有着其它能源不可比拟的优势，因此，合理利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，太阳能受到人们广泛的重视也是顺理成章的事情。典型的太阳能电池本质上是一个半导体二极管（p-n结），它利用光伏效应原理把太阳辐射能转换为电能。当太阳光照射到半导体二极管p-n结上并被吸收时，其能量大于半导体材料禁带宽度Eg的光子能把价带中的电子激发到导带上去，同时价带中留下带正电的空穴，即形成了电子-空穴对，通常称其为光生载流子。这些光生载流子在p-n结内建电场作用下迅速分离，电子被扫到电池的n型一侧，空穴被扫到电池的p型一侧，从而在二极管的两侧分别形成了正负电荷积累，并产生了“光生电压”，这就是所谓的“光伏效应”（Photovoltaiceffect）。若在p-n结两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”通过，即得到可利用的电能，典型的太阳能电池就是根据这个基本原理工作的。

一、CIGS薄膜太阳能电池

具有曲面造型的光伏建筑物和移动式的光伏电站等要求太阳能电池具有柔性和可折叠性，这便促使了柔性薄膜太阳能电池的发展。所谓柔性薄膜太阳能电池是以金属箔片或高分子聚合物作衬底的薄膜太阳能电池。一般说来，所有薄膜太阳能电池都可以做成柔性的。柔性CIGS薄膜太陽能电池的制作工艺和刚性玻璃衬底CIGS薄膜太阳能电池的制作工艺基本相同，不同之处主要体现在衬底材料的选择和CIGS制备两方面。

具有非常出色的弱光性。CIGS薄膜太阳电池不但可以在太阳直射的前提下具有较高的转化效率，而且其所具有的弱光特性，也是其他太阳能电池难以比拟的。研究表明，在太阳辐射强度比较弱地区，其光电转化率也远远高于其他太阳能电池。当太阳辐射强度为0.1mW/cm2时，光电转化效率为3.12%，当太阳辐射强度提高到1.0mW/cm2时，光电转化效率为7.25%，当太阳辐射强度提高到10.1和100mW/cm2时，光电转化效率分别为11.26%和14.24%，从这几组数据中可以看出，太阳辐射强度无论在何种情况下，CIGS薄膜太阳电池光电转化效率都比较高，这一点也是实现CIGS薄膜太阳电池产业化和商业化发展的主要优势之一。

二、非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半导体材料在玻璃、特种塑料、陶瓷、不锈钢等为衬底制备出来的一种目前公认环保性能最好的太阳能电池。1976年美国RCA实验室的Carlson等，对非晶硅进行研制并首次报道了非晶硅薄膜太阳能电池，引起了全世界的关注。非晶硅薄膜太阳能电池之所以受到人们广泛关注，是因为它有如下优点：质量轻且光吸收系数高，开路电压高，抗辐射性能好，耐高温，制备工艺和设备简单，能耗少，可以淀积在任何衬底上且淀积温度低、时间短，适于大批量生产。

非晶硅虽然是一种很好的电池材料，但是还存在一些不足：（1）光学禁带宽度为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，从而限制了其光电转换效率。（2）光电转换效率会随着光照时间的延长而衰减，即所谓的光致衰退（S-W）效应，使得电池性能很不稳定。近年来国内外对其的研究主要在于提高光电转换效率和光致稳定性，并得到了一些改进的方法：采用有不同带隙的多结迭层;降低表面光反射;使用更薄的i层。经过这些努力，使得非晶硅薄膜太阳能电池的光致衰减率从30%下降到了15%，同时光电转换效率也得到了一定程度的提高。非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有反溅射法、低压化学气相沉积法（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）和热丝化学气相沉积法（HWCVD）。西班牙巴塞罗那大学的Villar.F等，在温度低于150℃的条件下利用HWCVD方法制备出转换效率为4.6%的非晶硅薄膜光电池。日本三菱重工（MHI）制成了1.4m×1.1m世界上面积最大的高效非晶硅薄膜太阳能电池，其转换效率达到8%。目前，稳定的单结非晶硅薄膜太阳能电池的光电转换效率最高达到9.5%。我国对非晶硅薄膜太阳能电池的研究在20世纪80年代中期达到高潮，并取得了一些成果：研制出面积为1cm×1cm和30cm×30cm的单结非晶硅薄膜太阳能电池的实验室转换效率分别达到11.4%和6.2%。2000年以双结非晶硅薄膜太阳能电池为重点的硅基薄膜太阳能电池研究被列为国家重点基础研究发展计划“973”项目。鉴于非晶硅薄膜太阳能电池良好的发展前景，我国将在四川崇州市建全国最大的非晶硅太阳能薄膜生产基地，建成后预计年生产量达30MW。

三、CIGS薄膜太阳电池产业化最新的进展

多元共蒸发法多元共蒸发法是在高温真空环境下进行的，其是 典 型 的 物 理 气 相 沉 积 工 艺 （ Physical VaporDeposition，PVD）。在采用多元共蒸发法制备 CIGS薄膜时，以 Cu、In、Ga、Se 作蒸发源，通过使蒸发时所挥发出来的元素沉积在加热的衬底上，反应形成 CuIn 1–x Ga x Se 2 薄膜 。相比之下，Cu、In 及 Ga在衬底上的黏附系数很高，而 Se 的黏附系数较低且蒸气压较高，因此挥发出来的 Se 原子流量必须大于Cu、In 及 Ga 原子流量的总量，过量的 Se 会从薄膜表面脱附。如果 Se 供应不足，则会导致 In 及 Ga 分别以 In 2 Se 和 Ga 2 Se 的形式损失掉。目前广泛采用三步多元共蒸发法制备 CIGS 膜。第一步是在 350 ℃左右的 Se 气氛中蒸发 In 和 Ga，即同时蒸发 In、Ga 和 Se到衬底上，形成（InGa） 2 Se 3 化合物;第二步是在衬底温度为 550 ℃左右时，在 Se 气氛中蒸发 Cu 直至达到薄膜生长所需组成，使薄膜层之间互扩散形成微富Cu 的 CIGS 薄膜;第三步是在衬底温度为 550 ℃左右时，在 Se 气氛中再蒸发少量的 In 和 Ga，形成富Ⅲ族元素的薄膜表面，Cu 与Ⅲ族元素的摩尔比在 0.8～0.9。这样形成的 CIGS 薄膜晶粒大，缺陷也少，且在多数情况下。其中第三步的蒸发具有很重要的作用，其不仅消除了前两步操作中在薄膜表面形成的 Cu y Se，而且在薄膜表面形成了富 In 的 CIGS 薄膜，实现了表面 Ga 的梯度分布。快速化学通道沉积法通过快速化学通道沉积法制备CIGS薄膜太阳电池中的Zn缓冲层，通过向标准的化学溶液中添加H2O2作为氧源，提高反应的速率，大幅度提升了微粒在化学通道中的形成，而且还能提高光电转化效率，而且成本比较低，值得大范围推广应用。

射频磁控溅射法。通过射频磁控溅射法，在玻璃衬底上制备就可以得到CIGS薄膜，通过EDS测试结果表明，溅射CIGS薄膜Ga组份比较符合高效吸收层的要求。而且还能提高CIGS薄膜和衬底的晶化程度，从而降低CIGS的电阻率，研究表明，此种方法制备的CIGS薄膜太阳电池对可见光有较高的吸收效率，比较适用于太阳能电池的高效吸收层。近年来由于其极高的转换效率和一些新的研究成果引起了国内薄膜太阳能电池研究者的极大兴趣，加之国家在此方面的投资力度逐年加大，相信不久的将来我国在这方面的研究将会取得突破性的进展。

结束语：

染料敏化类薄膜太阳能电池及有机薄膜类太阳能电池的研究仅仅处于初级阶段，在基本原理和一系列关键技术上仍存在一些问题。尽管如此，随着技术的突破，其应用前景将会非常广阔。虽然化合物半导体材料的太阳能电池具有价格优良、性能良好、工艺简单等优点，但是所用的材料大多有毒，对环境会造成污染，且多为稀有元素，对其发展起到了很大的限制作用，因此不具备长远化生产的能力。微晶硅薄膜太阳能电池低的转换效率和沉积速率直接影响其在实际生活中的应用。

参考文献

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