CIGS薄膜太阳能电池无Cd缓冲层研究进展

肖友鹏

摘 要：介绍了CIGS薄膜太阳能电池无Cd缓冲层Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究现状及制备方法，分析了采用无镉缓冲层电池的性能参数。最后对无Cd缓冲层电池发展趋势进行了展望。

关键词：CIGS 薄膜太阳能电池 缓冲层

中图分类号：O472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO结构的CIGS薄膜太阳能电池，CdS作为缓冲层能阻止分流路径，与CIGS吸收层之间有相近的晶格匹配，能形成良好的导带带阶，在溅射ZnO时还能起到保护异质结的作用。但Cd是有毒元素，对环境会产生危害，CdS的禁带宽度在2.4～2.5eV，会吸收太阳光谱中350～550 nm的高能光子，导致光学损耗。近年人们研究和开发了无Cd缓冲层材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS电池结构设计

在设计CIGS电池结构时，可以继续保留i-ZnO/AZO窗口层，也可以采用ZnO：B作为透明导电层，ZnO：B有更高的迁移率和更低的吸收系数。或者舍弃i-ZnO薄膜，直接在缓冲层上沉积AZO或ZnO：B，这有利于减少生产步骤，降低生产成本。表1列出了不同缓冲层CIGS电池的结构和性能参数。

2 CIGS电池性能参数分析

缓冲层的制备技术主要包括化学水浴法（CBD）等湿法工艺，物理气相沉积（PVD）如溅射和化学气相沉积（CVD）如原子层沉积（ALD）等干法工艺。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法来生长Zn（O，S），非常容易植入常规CIGS电池工业生产系统。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光谱响应，与CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波长范围内增加了透光率，使得量子效率和短路电流得到显著提高，但开路电压有所降低，不过效率还是达到了19.1%。M.Nakamura等人[3]认为引入ZnO：B可以降低载流子在界面处的复合，从而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工艺沉积的Zn（O，S）致密、禁带宽度和透光率高。D.Hariskos等人[5]发现采用ALD工艺在CIGS层上生长Zn（O，S）的速率和覆盖率与CIGS表面组分有关，CIGS表面从含硫组分改性为含组分时电池的开路电压和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]没有沉积i-ZnO层，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉积Zn（O，S），没有经过任何的后退火或光浸润，效率为18.3%。同时还发现Ga成分决定了吸收层的禁带宽度，进而导致了不同的开路电压，所以电池的效率由吸收层特性决定。

A.Hultqvist等人[7]通过改变（Zn，Mg）O中Mg的含量从而调节其禁带宽度，不含Mg的纯ZnO缓冲层进行光浸润后电池的开路电压得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O缓冲层的电池进行光浸润后则填充因子明显上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后电池的短路电流有所提高，这是因为（Zn，Sn）Oy的禁带宽度达到了3.3eV，增强了光的吸收。不过在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面处的费米能级靠近禁带中央，增强了界面处的复合作用，从而降低了开路电压，不过效率也有18.0%。

3 结语

CIGS薄膜太阳能电池具有优异的光电性能，研究和应用已经取得了长足的进步。当前电池生产过程中要使用CdS作为电池的缓冲层材料，Cd是有毒元素，对环境会造成影响。许多研究机构都在寻找廉价安全无毒的替代材料，无Cd缓冲层将会继续成为研究热点。

参考文献

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，FL， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，France，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint

摘 要：介绍了CIGS薄膜太阳能电池无Cd缓冲层Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究现状及制备方法，分析了采用无镉缓冲层电池的性能参数。最后对无Cd缓冲层电池发展趋势进行了展望。

关键词：CIGS 薄膜太阳能电池 缓冲层

中图分类号：O472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO结构的CIGS薄膜太阳能电池，CdS作为缓冲层能阻止分流路径，与CIGS吸收层之间有相近的晶格匹配，能形成良好的导带带阶，在溅射ZnO时还能起到保护异质结的作用。但Cd是有毒元素，对环境会产生危害，CdS的禁带宽度在2.4～2.5eV，会吸收太阳光谱中350～550 nm的高能光子，导致光学损耗。近年人们研究和开发了无Cd缓冲层材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS电池结构设计

在设计CIGS电池结构时，可以继续保留i-ZnO/AZO窗口层，也可以采用ZnO：B作为透明导电层，ZnO：B有更高的迁移率和更低的吸收系数。或者舍弃i-ZnO薄膜，直接在缓冲层上沉积AZO或ZnO：B，这有利于减少生产步骤，降低生产成本。表1列出了不同缓冲层CIGS电池的结构和性能参数。

2 CIGS电池性能参数分析

缓冲层的制备技术主要包括化学水浴法（CBD）等湿法工艺，物理气相沉积（PVD）如溅射和化学气相沉积（CVD）如原子层沉积（ALD）等干法工艺。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法来生长Zn（O，S），非常容易植入常规CIGS电池工业生产系统。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光谱响应，与CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波长范围内增加了透光率，使得量子效率和短路电流得到显著提高，但开路电压有所降低，不过效率还是达到了19.1%。M.Nakamura等人[3]认为引入ZnO：B可以降低载流子在界面处的复合，从而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工艺沉积的Zn（O，S）致密、禁带宽度和透光率高。D.Hariskos等人[5]发现采用ALD工艺在CIGS层上生长Zn（O，S）的速率和覆盖率与CIGS表面组分有关，CIGS表面从含硫组分改性为含组分时电池的开路电压和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]没有沉积i-ZnO层，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉积Zn（O，S），没有经过任何的后退火或光浸润，效率为18.3%。同时还发现Ga成分决定了吸收层的禁带宽度，进而导致了不同的开路电压，所以电池的效率由吸收层特性决定。

A.Hultqvist等人[7]通过改变（Zn，Mg）O中Mg的含量从而调节其禁带宽度，不含Mg的纯ZnO缓冲层进行光浸润后电池的开路电压得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O缓冲层的电池进行光浸润后则填充因子明显上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后电池的短路电流有所提高，这是因为（Zn，Sn）Oy的禁带宽度达到了3.3eV，增强了光的吸收。不过在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面处的费米能级靠近禁带中央，增强了界面处的复合作用，从而降低了开路电压，不过效率也有18.0%。

3 结语

CIGS薄膜太阳能电池具有优异的光电性能，研究和应用已经取得了长足的进步。当前电池生产过程中要使用CdS作为电池的缓冲层材料，Cd是有毒元素，对环境会造成影响。许多研究机构都在寻找廉价安全无毒的替代材料，无Cd缓冲层将会继续成为研究热点。

参考文献

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，FL， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，France，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint

摘 要：介绍了CIGS薄膜太阳能电池无Cd缓冲层Zn（O，S）、（Zn，Mg）O和（Zn，Sn）Oy的研究现状及制备方法，分析了采用无镉缓冲层电池的性能参数。最后对无Cd缓冲层电池发展趋势进行了展望。

关键词：CIGS 薄膜太阳能电池 缓冲层

中图分类号：O472 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0004-01

采用SLG/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO结构的CIGS薄膜太阳能电池，CdS作为缓冲层能阻止分流路径，与CIGS吸收层之间有相近的晶格匹配，能形成良好的导带带阶，在溅射ZnO时还能起到保护异质结的作用。但Cd是有毒元素，对环境会产生危害，CdS的禁带宽度在2.4～2.5eV，会吸收太阳光谱中350～550 nm的高能光子，导致光学损耗。近年人们研究和开发了无Cd缓冲层材料，主要有Zn（O，S）、（Zn，Mg）O、和（Zn，Sn）Oy。

1 CIGS电池结构设计

在设计CIGS电池结构时，可以继续保留i-ZnO/AZO窗口层，也可以采用ZnO：B作为透明导电层，ZnO：B有更高的迁移率和更低的吸收系数。或者舍弃i-ZnO薄膜，直接在缓冲层上沉积AZO或ZnO：B，这有利于减少生产步骤，降低生产成本。表1列出了不同缓冲层CIGS电池的结构和性能参数。

2 CIGS电池性能参数分析

缓冲层的制备技术主要包括化学水浴法（CBD）等湿法工艺，物理气相沉积（PVD）如溅射和化学气相沉积（CVD）如原子层沉积（ALD）等干法工艺。

M.A.Contreras等人[1]采用CBD法来生长Zn（O，S），非常容易植入常规CIGS电池工业生产系统。D.Hariskos等人[2]引入（Zn，Mg）O改善了光谱响应，与CdS相比Zn（O，S）在300～550nm波长范围内增加了透光率，使得量子效率和短路电流得到显著提高，但开路电压有所降低，不过效率还是达到了19.1%。M.Nakamura等人[3]认为引入ZnO：B可以降低载流子在界面处的复合，从而提升效率。

U.Zimmermann等人[4]采用ALD工艺沉积的Zn（O，S）致密、禁带宽度和透光率高。D.Hariskos等人[5]发现采用ALD工艺在CIGS层上生长Zn（O，S）的速率和覆盖率与CIGS表面组分有关，CIGS表面从含硫组分改性为含组分时电池的开路电压和填充因子得到提高。

Reiner Klenk等人[6]没有沉积i-ZnO层，用ZnO/ZnS靶取代ZnO靶，直接在CIGS表面沉积Zn（O，S），没有经过任何的后退火或光浸润，效率为18.3%。同时还发现Ga成分决定了吸收层的禁带宽度，进而导致了不同的开路电压，所以电池的效率由吸收层特性决定。

A.Hultqvist等人[7]通过改变（Zn，Mg）O中Mg的含量从而调节其禁带宽度，不含Mg的纯ZnO缓冲层进行光浸润后电池的开路电压得到提高，含Mg的（Zn，Mg）O缓冲层的电池进行光浸润后则填充因子明显上升。

J.Lindahl等人[8]用（Zn，Sn）Oy取代CdS后电池的短路电流有所提高，这是因为（Zn，Sn）Oy的禁带宽度达到了3.3eV，增强了光的吸收。不过在CIGS/（Zn ，Sn）Oy界面处的费米能级靠近禁带中央，增强了界面处的复合作用，从而降低了开路电压，不过效率也有18.0%。

3 结语

CIGS薄膜太阳能电池具有优异的光电性能，研究和应用已经取得了长足的进步。当前电池生产过程中要使用CdS作为电池的缓冲层材料，Cd是有毒元素，对环境会造成影响。许多研究机构都在寻找廉价安全无毒的替代材料，无Cd缓冲层将会继续成为研究热点。

参考文献

[1] M.A.Contreras et al.Proceedings of the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion，Osaka，Japan，2003.p.570-573.

[2] D.Hariskos et al.Prog.Photovolt.Res.Appl.20（2012）534-542.

[3] M.Nakamura et al.Proceedings of the 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，Tampa，FL， USA，2013.

[4] U.Zimmermann et al. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference，Dresden，Germany，2006，p.1831-1834.

[5] D.Hariskos et al.Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference，Paris，France，2013，p.2205-2209.

[6] Reiner Klenk et al.Prog.Photovolt：Res.Appl.2014；22：161-165.

[7] A.Hultqvist et al.Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference，Milan， Italy，2007，p.2381-2384.

[8] J.Lindahl et al.Prog.Photovolt： Res.Appl.2013；21：1588-1597.endprint