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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　物理

图

C IS

薄膜太阳电池的结构和组成示意图

(

图中所示

为薄厚度

为折射率

, E

为能隙

)

池的产业化始于 20世纪 90年代 ,以美国 Shell So

lar、

德国 W urth Solar和日本 Showa Solar为代表的许

多大公司都致力于开展将 C IS薄膜电池规模化推广
的研究 ,并已相继完成中试线的建设. 国内研究 C IS
薄膜电池的单位还较少 ,研究水平与国际相比存在
着明显的差距. 南开大学光电子薄膜器件与技术研
究所高技术研究发展计划承担了国家重点课题“铜

铟硒太阳能薄膜电池实验平台与中试线 ”, 10 ×

10cm

集成电池组件转换效率达到 7. 3 % ,填补了

国内空白

[ 1 ]

. 最近 ,安泰科技与德国 O rdersun 公司

合作 ,引进通过连续电沉积工艺和非真空硫化方法
制备铜铟硫 (Cu InS

, )薄膜电池的技术 ,在成本、

技

术和适用性方面具有较大的优势 ,并得到了国家科
技部的支持.

本文提出了影响 C IS薄膜电池规模化推广的几

个基础问题 ,包括 :射频溅射法直接制备 C IS薄膜、
省略硒化工艺的问题 ; ZnO 替代 CdS作为 C IS薄膜
电池的缓冲层材料的问题和 Na

离子对 C IS薄膜及

电池性能的作用及机制问题. 研究这几个基础问题 ,
可以为规模化推广 C IS薄膜电池探索新的道路 ,为
推动和促进 C IS薄膜电池产业化的发展作贡献. 这
也是我们赶超国际先进水平 ,自主创新 ,发展 C IS薄
膜电池的重要途径之一.

　射频溅射法直接制备

C IS

薄膜的问题

常规制备 C IS薄膜的方法有真空蒸发法、

电沉

积法和溅射合金层硒化法等.

目前 ,国内外达到高转换效率的 C IS薄膜电池

一般是采用多元素共蒸发法制备 C IS吸收层的. 例

如 ,美国可再生能源实验室采用多元素共蒸发法制
备的 C IGS薄膜电池的转化效率已经达到 19. 2% ,
是薄膜太阳能电池中的最高纪录. 但多元素共蒸发
法的缺点是重复性不好 ,而且难以保证大面积上薄
膜成分的均匀性.

B hattacharya

[ 2 ]

在 1983年报道用一步电沉积法

制备 C IS薄膜 ,其原理是通过电镀的方法一次性将
铜、

铟、

硒等组元沉积到阴极衬底上. 电沉积法以能

满足低成本和大面积均匀的要求而受到重视 , Guil

lemo les

[ 3 ]

等人用电沉积法制备铜铟硒电池的转换效

率最高超过 10%. 本课题组也曾采用电沉积法研究
制备了 C IS薄膜

[ 4, 5 ]

. 结果表明 ,电沉积法难以控制

C IS薄膜的成分满足化学当量 ,电池的转换效率也

难以有很大提高.

溅射合金层硒化法是在基底上溅射沉积铜铟合

金层结构 ,然后在 H

Se或 Se的气氛中硒化 ,从而制

备出 C IS薄膜. 美国 Siemens Solar(现 Shell Solar)公
司使用 H

Se气氛硒化合金层 ,制成了转化效率为

14. 1%的小面积太阳电池 , 0. 4m

的太阳电池组件

的转换效率达到了 10. 4%. 本课题组也曾采用溅射
合金层硒化法研究制备了 C IS薄膜

[ 6 ]

但是 ,如图 1所示 , C IS薄膜电池是多层膜结构.

无论采用以上三种方法中的任何一种方法 ,在电池多
层膜的制备过程中都需要多次进出真空室 ,而不能在
不破坏真空的条件下一次完成 C IS薄膜电池器件的
制备. 例如 ,铜铟合金层需要进行硒化处理 , CdS缓冲
层需采用化学水浴法制备等. 因此 ,如何使 C IS薄膜
电池器件的制备工艺简单化 ,摸索大面积和低成本的
制备工艺 ,是 C IS薄膜电池产业化的关键.

最近 , Schm itt

[ 7 ]

等人提出射频溅射法直接制备

C IS薄膜 ,从而可以省略硒化工艺. 这样既简化了制

备过程 ,又能保证大面积薄膜的均匀性. 通过研究射
频溅射工艺参数 (如功率、

偏压、

工作气压和生长温度

等 )与 C IS薄膜的成分和结构的关系 ,使 C IS薄膜的
成分基本符合化学当量 ,结构为单一的黄铜矿相. 图

[ 7 ]

给出了射频溅射法制备的 C IS薄膜的成分与衬底

温度的关系. 由图可见 ,射频溅射法在适当的衬底温
度下 ,可以制备出成分符合化学当量的 C IS薄膜.

实现射频溅射法直接制备 C IS吸收层 ,省略硒

化工艺 ,就可以在真空室内不破坏真空的条件下 ,在
钠碱玻璃基底上 ,分别采用射频、

直流溅射和蒸发法

依次沉积 Mo、C IS、ZnO、MgF

和金属栅极等多种薄

膜 ,一次完成 C IS薄膜电池元器件的制备. 这样就可
以实现制备高质量、

低成本和大面积集成太阳电池

・

前沿进展