空间飞行器用太阳电池研究进展

刘 勇，王传东

（海军驻天津地区兵器设备军代表室，天津300384）

空间飞行器用太阳电池研究进展

刘 勇，王传东

（海军驻天津地区兵器设备军代表室，天津300384）

介绍了执行深空探测和行星探测任务的空间飞行器用太阳电池研究进展，介绍了具有转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点的Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)薄膜太阳电池，综述了其结构及特点、吸收层薄膜的制备方法及其研究热点，认为随着研究的不断深入，太阳电池将在空间飞行器方面取得更加广阔的应用。

太阳电池；飞行器；卫星

近年来，小卫星技术迅速发展，质量和体积不断减小，成本也在下降。电源系统约占小卫星质量的40%，减小电源系统的质量和提高电池的效率对小卫星尤为重要。1991年，欧洲首个使用LPE技术制造的GaAs电池的卫星UoSAT-5小卫星发射。1997年，欧洲第一个搭载5 μm GaAs单结电池作为主电源的卫星Equator-S升空。2005年，美国国家航空和宇宙航行局发射了Space Technology-5计划的首颗卫星，卫星使用Emcore公司的InGaP/InGaAs/Ge三结叠层电池，效率达到28%。本世纪初，效率达到28%的太阳电池在美国已经可以量产，三结叠层电池的应用也已经列于美国大部分的卫星计划。

对于深空探测和行星探测任务，GaAs电池和Si电池都已被使用。距离更远的任务，Si电池(专门为低太阳照度和低温设计)是首选的，配有轻质量聚光设备的III-V族化合物单结或者多结太阳电池也表现良好。对那些运行在太阳光辐照量只有地球上1/10情况下的卫星，10倍的聚光强度使其输出功率与在地球上的输出功率相近。图1所示为欧洲的Herschel and Planck太空天文台计划的效果图，使用三结GaAs电池。

图1 欧洲的Herschel and Planck太空天文台效果图

1 薄膜太阳电池

在众多种类的太阳电池中，Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)薄膜太阳电池以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点迅速成为光伏界的研究热点，被认为是最具发展前景的薄膜太阳电池之一。目前，CIGS薄膜太阳电池的实验室光电转换效率已经超过20%。然而，CIGS吸收层是四元化合物多晶薄膜，沉积工艺较复杂。在其生长机制、材料的化学物理性质以及p-n异质结的物理性能等方面还有很多问题没有明确。这些也是继续提高电池效率需要解决的关键问题。

与此同时，CIGS薄膜电池组件的产业化也迅速发展。美国、德国、日本的公司相继建立了兆瓦级生产线，生产的大面积电池组件效率多数超过了13%，全球的年产能超过了1 GW。未来将重点解决降低成本，提高产品的成品率等问题。为此，具有潜在成本优势的非真空工艺成为新的研究方向。

2 CIGS薄膜太阳电池结构及特点

1994 年，美国国家可再生能源实验室(NREL)提出了制备高效Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池的结构，如图2所示。普通的钠钙玻璃、不锈钢箔片或聚酰亚胺等材料作为衬底，在衬底上溅射沉积Mo薄层作为电池的背电极。Mo电极层既要保证与衬底间有很好的附着力，又要保证与其上的吸收层有良好的欧姆接触，还要有高的电导率和合适的结晶取向。然后使用物理气相沉积 (PVD)工艺沉积厚度约为2 μm的p-型CIGS半导体薄膜作为光吸收层。厚度约为50 nm的n-型缓冲层CdS、ZnS或In(OH)S 由化学水浴法沉积。分别采用射频和直流磁控溅射在缓冲层上沉积50 nm厚的本征i-ZnO和300～500 nm厚的ZnO：Al透明导电膜作为窗口层，ZnO中的掺杂还可以是B、Ga等III族元素，其不同的掺杂元素和掺杂量将影响窗口层的电导率和光透过率。p型CIGS和n型CdS及高阻n型ZnO形成了p-n异质结是CIGS薄膜太阳电池的核心。为了降低电池表面反射引起的入射光损失，可以通过电子束蒸发沉积100 nm厚的MgF2减反射膜。最后蒸发沉积Ni/Al双层金属作为收集电流的栅极。直到今天，CIGS薄膜太阳电池的实验室效率已经超过20%[1]，这种经典的电池结构仍然被沿用。

图2 CIGS薄膜太阳电池经典结构

与非晶硅、CdTe等薄膜太阳电池相比，CIGS薄膜电池具有如下特点：

(1)CIGS薄膜是一种直接带隙半导体材料，其可见光的吸收系数高达105cm-1量级，因此非常适合作为薄膜电池的吸收层材料，厚度仅1～2 μm就可以将大部分太阳光吸收，降低了原材料消耗。

(2)通过在CIS薄膜中掺入Ga部分的替代In可以使吸收层带隙在1.04～1.67 eV变化，通过优化沉积工艺调整Ga元素在吸收层中分布可以形成梯度带隙，使其与太阳光谱更加匹配，从提高相应的器件性能[2]。

(3)CIGS薄膜太阳电池稳定稳定性好,没有光致衰变现象(Staebler Wronski效应)。日本Showa Shell公司对11 kW的CIGS电池方阵进行了连续3年的户外测试，结果显示组件效率没有任何衰减。

(4)抗辐射能力强，用于空间飞行器电源很有竞争能力。对安装了CIGS薄膜电池组件的NASDA微小卫星进行了模拟宇宙环境的电子和中子照射实验，证明了其抗辐射能力远高于InP系、GaAs系和Si系太阳电池。

(5)CIGS薄膜既可生长在廉价的钠钙玻璃衬底上，也可以沉积在不锈钢或聚酰亚胺等柔性衬底上，适合于在线连续沉积(in-line process)或卷对卷沉积(roll-to-roll)，提高了大面积电池组件的生产效率，具有广阔的发展空间和产业化前景。

3 CIGS吸收层薄膜的制备方法

CIGS吸收层的性能直接关系到薄膜太阳电池的性能。其制备方法主要有蒸发法、金属预置层后硒化或硫化法以及低成本的非真空沉积方法。国内外一些公司基于这些技术路线已经实现了CIGS薄膜电池组件大规模生产的商业化，或者正在进行中试生产和研发。

(1)多元共蒸发法

多元共蒸发法是沉积CIGS薄膜使用最广泛和最成功的方法，效率超过18%的CIGS薄膜太阳电池都是用这种方法制备的。根据薄膜沉积过程中衬底温度和各金属源蒸发速率的变化过程，多元共蒸发工艺又分为一步法、两步法、三步法和在线连续蒸发方法。由于蒸发速率或真空腔室结构的不同，各个工艺流程的沉积时间为10～90 min。对于2 μm厚度的吸收层，典型的沉积速率为20～200 nm/min，最终得到成分略微贫铜的薄膜。

(2)溅射金属预置层后硒化工艺

溅射后硒化工艺程序分为预制层溅射和硒化两部分。因为采用不同的硒源，又分为硒化氢硒化法和固态源硒化法。首先在覆盖钼薄膜的玻璃衬底上溅射沉积Cu-In-Ga金属预制层，然后在硒化氢或硒蒸气氛围中对其进行后处理，得到满足化学计量比的Cu(In,Ga)Se2薄膜。为了提高表面带隙宽度，在后硒化加入硫化工艺，掺入的S原子部分替代Se原子，在薄膜表面形成一层宽带隙的Cu(In,Ga)S2。这样可以降低异质结的界面复合，提高器件的开路电压。

溅射后硒化工艺的优点是大面积铜铟硒薄膜的均匀性比较容易实现，适合工业化生产，目前在美国和日本都有溅射硒化法的商业化生产线。预制层的溅射通常采用Cu、Ga合金靶与In靶，根据需要也可以采用两种不同比例的Cu、Ga合金靶来控制Ga的含量。大多数生产线的硒化过程都采用硒化氢作为硒源，由Ar气或N2气携带进入硒化室进行硒化处理或快速退火处理(RTP)。但是硒化氢是一种剧毒气体，危险性大，成本高，会对环境造成污染。固态源硒化法采用固态硒丸作为硒源，可以不用载气，安全无毒，设备简单，具有成本优势，是近些年来研究较多的新技术。但固态源硒化法在薄膜成分的均匀性、电池的转换效率等方面还存在比较大的问题。

(3)非真空沉积方法

非真空沉积方法是指在非真空环境下完成金属预置层的沉积，然后进行硒化退火处理。沉积金属预置层的方法有电沉积工艺、纳米颗粒涂覆法等。这些方法最大的特点是设备、实验条件和原材料纯度等要求较低，在沉积大面积薄膜、提高生产效率和降低成本方面具有优势。目前，这些技术还处于实验室研究阶段，中试生产技术尚不成熟，在提高产品成品率和重复性方面还有待提高。

电沉积CIGS薄膜的工艺一般是在酸性溶液中进行，溶液体系大致分两类：氯化物体系和硫酸盐体系。其中氯化物体系制备的电池效率较高。氯化物体系主要用CuCl2、InCl3、GaCl3、H2SeO3或SeO2作为主盐，溶液中加入导电盐KCl或KI以及KSCN、柠檬酸等络合剂。美国国家可再生能源实验室(NREL)采用一步电沉积工艺，在室温得到的预置层成分比例为：CuIn0.32Ga0.01Se0.93～CuIn0.35Ga0.01Se0.99。然后将其放入真空系统中补充沉积一定量的In、Ga和Se，将成份调整到化学计量比CuIn0.7Ga0.3Se2，经这样处理后用于制备的太阳电池其效率达到15.4%。

纳米颗粒涂覆法是将Cu、In、Ga按所需的Cu/(In+Ga)比例混合制成金属氧化物纳米颗粒涂料，用丝网印刷等方法涂覆在沉积了Mo电极的衬底上干燥，然后在500～550℃的H2和N2混合气氛中脱氧得到Cu-In-Ga合金，再在420～450℃时，H2Se和N2的混合气体中硒化形成CIGS薄膜。采用这种方法在聚酰亚胺(PI)、Ti箔和玻璃上的制备点电池的效率分别达到8.9%、9.5%和13.6%。

4 CIGS薄膜太阳电池研究热点

CIGS薄膜太阳电池实验室技术自20世纪70年代诞生以来得到迅速发展，可概括为以下几方面：(1)在电池结构方面，使用CdS/双层ZnO薄膜层代替较厚的(CdZn)S窗口层材料，有效提高了短波区的光伏响应；(2)使吸收层带隙形成双梯度，加强了长波段光子的吸收和光生载流子的收集效率，提高了电池的开路电压，同时减小了短路电流的损失；(3)共蒸发三步法的提出优化了CIGS薄膜生长过程，显著改善了薄膜的结晶质量和电学性质；(4)用碱石灰玻璃替代无钠玻璃，玻璃中的Na通过Mo层扩散进入CIGS薄膜，钝化了吸收层中部分点缺陷，提高了吸收层的P型特性，降低了空间电荷区宽度，提高了电池的开路电压和填充因子。随着实验是技术趋于成熟，CIGS薄膜材料及太阳电池的研究热点也在不断变化，主要体现在以下几方面：(1)高效率CIGS薄膜太阳电池的研究：(2)柔性衬底CIGS薄膜太阳电池及组件；(3)无Cd缓冲层的研究。随着研究的不断深入，太阳电池将在空间飞行器方面取得更加广阔的应用。

[1]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]王赫，刘芳芳，孙云，等.Cu(In,Ga)Se2薄膜表面的镓含量分布对太阳电池性能的影响[J].人工晶体学报，2010,39(1):52-56.

Research progress of solar cells for space aircraft

The research progress of solar cells for space aircraft implementing deep space and planetary exploration missions was introduced.Cu(In,Ga)Se2(CIGS)thin film solar cell was introduced,having the advantages of high conversion efficiency,good long-term stability,strong anti radiation ability.The structure and characteristics were summarized.The preparation methods and research focus of absorption layer thin film were summarized.With the deepening of study,the solar cell would have extensive application in space aircraft.

solar cell;aircraft;satellite

TM914

A

1002-087 X(2015)10-2325-03

2015-03-27

刘勇(1965—)，男，天津市人，高级工程师，主要研究方向为物理与化学电源。