CIGS 薄膜太阳能电池缓冲层的研究及其发展

摘要：本论述简要介绍了

CIGS 薄膜太阳能电池缓冲层的发展，重点阐述了 CdS 和 ZnS 缓

冲层的研究现状，指出缓冲层的制备工艺上以化学水浴法居多，从成膜机理到工艺参数的
优化都做了充分的研究，对真空蒸发法的制备工艺研究则相对较少，而且大部分都集中在
蒸发温度、衬底温度和沉积温度对薄膜性能的影响上。最后指出了发展过程中遇到的两个问
题：一

Cd 对环境的污染，二化学水浴法不利于工业化大生产。

　　关键词：

CIGS；薄膜电池；缓冲层；CdS 薄膜；ZnS 薄膜

　　

CIGS 薄膜太阳能电池的典型结构为 Al/MgF2/ZnO/CdS/CIGS/Mo/衬底，并以衬底为支

撑。该电池成本低，性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高、光谱响应范围宽、弱光性好，
有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。不加缓冲层

CdS，其转换效率只有 7％。如果在

ZnO 和 CIGS 之间加上缓冲层 CdS，则太阳能电池的转换效率达到 11％至 13％，缓冲层改
善了

CIGS 太阳能电池的性能[1]。由于缓冲层中含有有毒元素 Cd，限制了薄膜太阳能电池

的大规模使用；同时其制备工艺通常采用化学水浴法，但制备电池器件需要进出真空室，
不利于一次成型，限制了电池的大规模生产。正是由于缓冲层对

CIGS 薄膜太阳能电池有着

重要影响，使得很多学者对它做了深入的研究。

　　

1 缓冲层的形成及发展

　　

1974 年 Bell 实验室的 Wagner 等人[2]采用提拉法制备出了第一块 CIS 太阳能电池。到了

1975 年，经过结构改进，电池的光电转换效率为 12．5％，这是 CIGS 太阳能电池的雏形 。
1982 年 Boeing 公 司 采 用 ZnxCd1 － xS 代 替 CdS ， 电 池 效 率 为 10 ％ [3] 。 直 到 1985 年 ，
R．R．Potter 等人[4]才研究出了目前这种 CIS 电池的基本结构，即其中铜铟硒（CIS）为
吸收层，

CdS 为缓冲层，ZnO 为窗口层，这种结构改善了电池的短波响应。薛玉明等人[5]

建立异质结模型，得出了形成异质结前后的能带图。蒋方丹等

[6]对 CdS 做为缓冲层的作用

和弊端做了分析。认为

CdS 是非常适合作为 CIGS 薄膜太阳能电池缓冲层材料，但由于 Cd

有毒、能隙偏窄、制备工艺不匹配等因素的制约，限制了电池的大规模应用。因此，目前对缓
冲层的研究主要集中在薄膜的制备工艺和无镉缓冲层材料方面。

　　

2CdS 缓冲层及其制备方法

　　

2.1 化学水浴法（CBD）

　　化学水浴法是在溶液中利用化学反应在衬底上沉积薄膜的一种技术。因为它成本低、工
艺简单、成膜质量好、反应参数易于控制等优点，因此人们从成膜机理到浓度、温度等参数优
化上都做了大量的研究。
　　

2.1.1 成膜机理的研究

　 　 周 向 东 等 人

[7] 对 成 膜 机 理 做 了 深 入 的 研 究 ， 提 出 CdS 薄 膜 的 成 核 机 理 是

Cd（NH3）42＋先附着在衬底表面形成晶核，然后 Cd（NH3）42＋和 S2－同晶核作用长
大成膜，此时

Cd（NH3）42＋在热驱动下变得不稳定，放出氨气，同时 Cd2＋同 S2－相互

作用形成

CdS。