日本产业综合技术研究所CIGS太阳电池研究新进展

2013-07-05陈梅

电源技术 2013年11期

陈梅

陈梅

日本产业综合技术研究所等利用溅涂法制作缓冲层，提高CIGS太阳电池效率

产业技术综合研究所(产综研)等于2013年3月发表了仅利用干法制作出不含镉的铜铟镓硒(CIGS)太阳电池，得到与以往使用湿法的手段(溶液成长法)时接近的光电转换效率。详细的内容已经在3月27日～30日神奈川工科大学召开的《第60次应用物理学会》的春季演讲会上发表。

CIGS太阳电池是光电转换效率高且年劣化量少并具有长期信赖性特征的高性能薄膜太阳电池的一种。近年来多家厂商正推进其量产化进程。担负决定太阳电池性能的pn结形成存在于缓冲层，也是CIGS太阳电池高效率化的重要因素之一。目前量产的CIGS太阳电池中光吸收层的CIGS是通过干法多元蒸镀或喷溅硒的方法形成的，缓冲层使用湿法的溶液成长法(CBD法)形成硫化镉(CdS)的手段生成。但是CdS中含有有害物质C d，为了减少对环境的污染，要求缓冲层无镉化。而且干法形成的缓冲层的研究也在进行中，CIGS太阳电池的量产工程的适用探讨正在进行中，大规模量产化成功的例子目前为止还没有报道。

为实现CIGS太阳电池缓冲层的无镉化，已经有了如下报道，即采用溶液成长法，形成的硫化锌或氧化锌(ZnO,S)，硫化铟的缓冲层接近含硫化镉缓冲层的光电转换效率。虽然有了若干报道，但CIGS太阳电池用干法溅涂形成的缓冲层，还没能达到高光电转换效率。

此次研究希望仅利用喷溅法合成CIGS太阳电池不含镉的缓冲层。采用多元蒸镀三阶段法制成与以往利用溶液成长法合成含CdS缓冲层的小面积CIGS太阳单体同样大小的CIGS太阳电池，这个单体作为比较对象，仅在缓冲层利用喷溅法合成ZnMgO进行替换，令其组成与成膜条件最适合化，仅用喷溅法形成缓冲层的太阳电池光电转换效率达到16.2%，如图1所示。

CIGS太阳电池单体的构成如图2所示，干法喷溅形成ZnMgO接触层的CIGS太阳电池特性如图3所示，这个实验值与利用以往技术形成缓冲层太阳电池光电转换效率的17.5%相近。证明了即使在无镉状态工艺下也能成功制成具有高光电转换效率的CIGS太阳电池。今后研究小组将进一步提高光电转换效率，同时研制出适用于大面积基板及开发出更加企业化的装置。

图1 （a）利用干法溅涂制作缓冲层的CIGS小面积单体；（b）太阳电池的特性

图2 此次开发的CIGS太阳电池单体构成

图3 干法喷溅形成ZnMgO接触层的CIGS太阳电池特性(具有反射防止膜)

产业综合研究所CIGS太阳电池辅助组件转换效率达到18.34%

产综研2013年9月发布了制成3 cm×2 cm基板尺寸的CIGS太阳电池，其辅助组件转换效率达到18.34%，如图4所示。此成果是由产业综合研究所太阳能发电工学研究中心先端产业工艺高效化小组柴田肇研究员、上川由纪子特别研究员、小牧弘典研究员等共同研制的。

图4 转换效率为18.34%的CIGS太阳电池辅助组件的外观

CIGS太阳电池以利用2 mm厚度的光吸收层可吸收足够的光，基板具有可利用廉价的玻璃或金属薄膜等优点，作为低成本且高转换效率的太阳电池而备受关注。近来生产线制作出来的125.7 cm×97.7 cm2尺寸组件的转换效率达到14.6%，量产水平的太阳电池组件转换效率正在提高，一般的太阳电池组件的转换效率(世界最高转换效率为15.7%)比小面积单体(最高转换效率为20.4%)低，如表1所示。组件与小面积单体的制作方法和结构的不同点很多，使其造成转换效率损失的原因比较复杂。

辅助组件是小面积单一单体与组件的中间位置存在的物质，通过对辅助组件集聚化伴随着本质的转换效率损失的原因进行探索，采取改进措施。一般已经商品化的产品采用激光划线或机械划线等进行集聚化工程，控制集聚化过程中伴随着特性损失的研究正在进行中。此次研究使集聚化结构的提高改良得到一定进展，是集聚化技术与高品质CIGS光吸收层制膜技术的汇集组合。

表1 CIGS太阳电池的结构及各部分对应的主要转换效率和面积

此次的CIGS太阳电池辅助组件一般使用碳酸钠氧化钙玻璃基板，光吸收层使用高性能的CIGS制膜技术，制成表面微小空隙较少的平面平坦、均匀、质量好的光吸收层。CIGS光吸收层的表面及CIGS光吸收层/钼内部电极的断面扫描电镜照片如图5所示。

图5 扫描电镜照片

此次制作的太阳电池辅助组件是4个太阳电池单体呈直列连接集聚的结构。这种集聚构造中(P1)处为Mo内部电极，用激光划线进行切割；(P2)处为缓冲层/CIGS光吸收层，利用机械划线进行切分；(P3)处为透明导电膜/缓冲层/CIGS光吸收层的机械划线切割，以此方法形成集聚化结构，此次制作的太阳电池辅助组件的断面如图6所示。

这种分割出来的区域成为无太阳电池光电流生成的盲区，是光电流损失产生的原因。本次采用的分割划线图案形状条件最适合化，使集聚化工程导入的电流损失控制在最小的同时，盲区的光学损失也力争降低。高集聚化技术和高品质CIGS光吸收层制膜技术结合的结果，作为CIGS太阳电池辅助组件，转换效率超过18%，实现了18.34%的目标。开路电压为2.963 V，光短路电流：29.05 m A、填充因子为76.2%、指定面积为3.576 cm2，如图7所示。