卷

( 2006

年

) 11

期　　　　　　　　　　　　　

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图

　射频溅射法直接制备

C IS

薄膜的成分与衬底温度的关

系

在衬底温度为

150

℃左右时

薄膜的成分接近化学计量比

(

图中

、

分别指成分测量中心的

、

吸收线

)

组件的目标.

当然 ,研究射频溅射法直接制备 C IS薄膜的电

子结构和光电性能及其与工艺参数的变化规律 ,还
需研究一些物理问题 ,内容包括 C IS膜的电导率、

禁

带宽度、

光吸收系数、

载流子浓度等等. 另外 ,用于制

备溅射靶材的 C IS粉末的纯度和结晶度等也可能影
响溅射薄膜的质量 ,也需要加以摸索.

ZnO

替代

CdS

作为缓冲层材料的问

题

目前 , C IS薄膜电池大都采用 ZnO /CdS/C IS结

构 (见图 1) ,其中 C IS是光吸收层 , CdS作为 C IS的
缓冲层 , ZnO是窗口层.

CdS缓冲层的作用是双重的. 首先 , CdS缓冲层

能够优化电池的能带排列 ,形成足够厚的耗尽层达
到最小化隧穿效应 ,并且形成高接触电势以达到较
高的开路电压. 此外 ,沿着光子的入射方向 ,各层膜
的光学能隙

是递减的 ,有利于吸收整个波长范围

(

(C IS) )的光子能量 ,并且 ,折射率是递增的 ,

可有效地减少光子反射 ,提高吸收效率. 所以 , CdS
是非常适合作为 C IS薄膜电池的缓冲层材料 ,但由
于以下因素的制约 ,限制了其大规模的应用 : (1)从
环境保护的角度 ,需要避免使用有毒元素 Cd; ( 2 )

CdS的能隙是 2. 4eV ,因此太阳光谱中只有蓝光波

长以下的光谱范围才能被电池所吸收 ,这样限制了
提高电池的电流密度 ,影响转换效率 ; ( 3) CdS薄膜
的制备工艺一般采用化学水浴法. 因此 ,制备 C IS薄
膜电池器件需要进出真空室 ,不利于一次成型.

目前 , 已经广泛开展了用 ZnO、ZnS (O , OH ) 、

ZnSe、Zn In

、In

等薄膜材料取代 CdS

缓冲层的研究工作. Delahoy

[ 8 ]

和 Platzer

2bjorkman

[ 9 ]

等人分别于 2000年和 2003年提出直接用 ZnO 薄膜
替代 CdS作为缓冲层材料 ,即省略 CdS. 图 3所示的
实验结果说明了用 ZnO 替代 CdS作为缓冲层材料
能够取得比较理想的光电性能 ,且 ZnO /C IS异质结
的短路电流还要优于 CdS/C IS异质结

[ 9 ]

. 用 ZnO 替

代 CdS作为缓冲层材料 ,即可实现在射频溅射法直
接制备 C IS缓冲层之后 ,在不破坏真空条件下 ,分别
通过射频和直流溅射 ,沉积 i

2ZnO和 n2ZnO薄膜 ,形

成 n

2ZnO / i2ZnO /C IS异质结. 这为一次性完成 C IS

薄膜电池元器件的制备创造了条件.

图

ZnO /C IS

异质结和

CdS /C IS

异质结的量子效率及光电性能对

比

(

图中

为开路电压

为短路电流

为填充因子

为转换

效率

)

直接用 ZnO薄膜替代 CdS作为缓冲层材料的实

现 ,还需进行以下诸方面深入的研究 : (1) ZnO 薄膜的
晶粒尺寸、

禁带宽度和电学性能与直流反应溅射工艺

的变化规律 ; (2) ZnO /C IS异质结的

参数和缺陷

态等与薄膜退火温度的关系 ,并与 CdS/C IS异质结界
面进行比较 ; (3)薄膜退火过程中 , Zn原子在 ZnO /

C IS异质结界面的扩散规律及其对 CdS /C IS异质结

性能的影响 ; (4) ZnO /C IS异质结结构的稳定性.

N a

离子在

C IS

薄膜中的作用问题

Hestrom 等人于 1993年在实验中发现通过将钠

碱玻璃衬底中的 Na

扩散到 C IS吸收层 ,使 C IS薄

膜电池的转换效率提高到了 15%

[ 10 ]

. 随后 ,对 Na

浓度和分布的研究表明 , C IS吸收层中 Na

的浓度

一般在 0. 1 at%左右 ,并且聚集在表面和晶界处. 一
定浓度的 Na

对电池性能有改善作用 , 而过量的

N a

则会损害电池性能.

・

前沿进展