CIGS太阳能电池专利技术综述

张跃

【摘 要】铜铟镓硒（CIGS）是一种理想的用于制备薄膜太阳能电池的半导体材料，基于铜铟镓硒（CIGS）材料制作的薄膜太阳能电池是一种最有发展前景的薄膜太阳能电池，本文对涉及铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池结构和制备方法的专利文献进行了全面检索，介绍了CIGS薄膜太阳能电池主要结构和制备方法，以及相关专利技术的发展情况，并对其发展前景进行了展望。

【关键词】CIGS；太阳能电池；专利；综述

中图分类号： TM914.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.013

【Abstract】CIGS is a perfect semiconductor material for film solar cells.The CIGS-based film solar cell is regarded as a promising future generation of solar cells.This work comprehensive searched for the patent literature of structure and fabricating methods of CIGS solar cells，introduced the structure and fabricating method of CIGS solar cells， and proposed the development of patent technologies.

【Key words】CIGS；Solar cell；Patent；Overview

0 引言

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池，光吸收效率高、户外性能稳定，是目前国际上太阳电池的研究重点，转换效率高达21.7%[1]。铜铟镓硒（CIGS）是一种四元化合物半导体材料，是一种直接带隙半导体材料，其可见光波段的吸收系数高达105/cm量级，只需2微米左右厚度的CIGS薄膜就可以吸收几乎所有的入射太阳光[2]，是一种理想的用于制备薄膜太阳能电池的半导体材料。

本文以国际分类号（IPC）H01L31/00在德温特世界专利数据库（DWPI）、世界专利文摘数据库（SIPOABS）和中国专利文摘数据库（CNABS）中检索。文中数据截止到2018年3月1日，包括发明和实用新型专利。

1 CIGS太阳能电池的发展

CIGS薄膜太阳能电池光吸收能力强，转换效率高，稳定性强，使其成为当前具有很强发展潜力的高效太阳能电池。该技术在国外发展较早。CIGS薄膜材料由三元CIS薄膜材料发展而来[1]，1953年Hahn等人首次合成CIS薄膜材料。为了充分利用太阳光谱，自20世纪80年代末期开始人们在CuInSe2材料中掺入Ga和S元素，以提高禁带宽度，使之与太阳光谱更匹配，获得更高的光电转换效率。美国可再生能源实验室（NREL）使用了三步共蒸发法，1994年转换效率达到16.4%。2014年Manz集团将转换效率提升到21.7%。我国CIGS薄膜领域的研究起步较晚，20世紀80年代我国南开大学，以及清华大学等开展了相关研究[1]。

在专利技术的申请上，国内外主要申请人包括：中国电子科技集团公司第十八研究所，LG伊诺特有限公司，厦门神科太阳能有限公司，财团法人工业技术研究院，日东电工株式会社，台积太阳能股份有限公司，吉富新能源科技（上海）有限公司等。

2 CIGS太阳能电池关键技术

CIGS薄膜太阳能电池的基本结构通常由衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极组成[3]。

2.1 衬底

CIGS 薄膜太阳电池所使用到的衬底可分为两类：一类是刚性衬底，例如钠钙玻璃和陶瓷等；另一类是柔性衬底，例如聚酰亚胺和金属箔片等。CN101061588 A以及CN101330112 A实现了在铝衬底上制作轻而便宜太阳能电池装置。铝箔衬底的使用，能够极大地降低在这种衬底上的材料费用，获得成规模的经济效果。KR1374690B1提供了一种热膨胀系数与CIGS层相似的基材，该基材的热膨胀系数与CIGS层相似。

CN104425647A公开了一种刚性衬底制备柔性太阳电池的方法，首先制作柔性衬底-刚性衬底构成的刚性复合衬底；然后，在刚性复合衬底的柔性衬底上制作柔性太阳电池；最后，将柔性衬底-刚性衬底分离，完成刚性衬底制备柔性太阳电池的过程，其采用柔性衬底-刚性衬底构成的刚性复合衬底，利用柔性衬底依靠在刚性衬底上的附着力，高温时柔性衬底不变形.

2.2 背电极

半导体薄膜太阳能电池结构中，合理选择背接触层和背电极是减小背接触势垒、形成良好的欧姆接触、提高开路电压和填充因子的关键因数之一。CN103456802采用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构。CN10348950A公开了一种复合导电钼浆，复合导电钼浆可采用非真空制备技术来制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极。

CN103311331A使用真空溅镀法在高压下制作高附着性的钼背电极，大幅增加铜铟镓硒太阳能电池的质量及生产良率，且提高铜铟镓硒太阳能电池的短路电流，进而达到生产成本降低及高效率之铜铟镓硒太阳能电池。CN103489501A采用非真空制备技术来制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，即采用丝网印刷法或者刮涂法，工艺简单，降低制造成本。

2.3 吸收层

CIGS吸收层是CIGS太阳电池的核心，制备出高质量的CIGS吸收层是获得高性能太阳电池的关键。CN102623571A利用真空蒸发镀膜的方法蒸发硒化亚铜（Cu2Se）、硒化铟（In2Se3）、硒化镓（Ga2Se3）粉末，在衬底上形成铜铟镓硒（CIGS）薄膜。通过改变粉末的比例或蒸发速率可以方便的实现对CIGS薄膜内成分的控制，可以有效的降低CIGS薄膜太阳能电池的生产成本和周期。KR20140010549A通过三步真空共蒸发法形成用于太阳能电池的CIGS光吸收层，包括：同时真空蒸发In、Ga和Se的第一步骤；同时真空蒸发Cu和Se的第二步骤；和真空蒸发In、Ga和Se的第三步骤。提高深度深的耗尽层的CIGS太阳能电池的效率。CN102943237A采用黄铜矿相的CuIn1-XGaXSe2化合物靶材，避免了传统的硒化过程中需 要严格控制Se源的温度以及衬底等的升温或降温速度，工艺重复性好，过程可控。CN103474511A主动控制镓在铜铟镓硒薄膜厚度方向上的分布实现双梯度能带分布。

2.4 缓冲层

缓冲层在CIGS系薄膜太阳电池中是很必要而且是关键的组成部分，它与吸收层的失配率大小决定异质结性能是否良好。CN104078521 A用CdS/ZnS双缓冲层代替传统的CdS缓冲层，减少Cd的用量提高生产过程的环保性；减小电子亲和势，提高开路电压；提高吸收层和缓冲层之间的晶格匹配性，进而进一步提高太阳能电池的转换效率。CN105355716A在CIGS层上利用直流磁控溅射方法制备缓冲层即Zn（O，S）层。Zn（O，S）薄膜无毒，不会对制备人员及环境造成影响，避免了湿法的不利因素，有效利用蓝光，增加光谱响应范围，从而提高太阳能电池效率。

2.5 窗口层

传统的CIGS薄膜光伏电池普遍采用ZnO：Al（AZO）透明电极作为窗口层。ZnO薄膜的制备方法包括采用Zn靶反应溅射和采用ZnO陶瓷靶溅射这两种方法。US2012067422 A1公开了一种的MS1-XOX结构的窗口层，其中，M是由Zn、Sn和In组成的组中的元素。CN104362186 A公开了双层结构窗口层，包括溶液法制备的纳米金属氧化物和真空溅射法制备的金属氧化物层。避免了真空溅射过程中对其它功能层表面的破坏，从而有效地降低了界面复合，薄膜光电池的转换效率提高了15%以上。

3 结语

本文从专利技术出发，简要总结了现有专利申请中CIGS太阳能电池结构及多种制备方法。虽然国内已经有大量涉及CIGS薄膜太阳能电池的专利申请，但在CIGS吸收层的制备方法等方面还有着巨大的改进空间。国内企业和科研院所应当加大对制备方法、结构和材料等方面加大研发投入，提高专利申请量和专利质量。

【參考文献】

[1]梁传志，王朝霞，郭梁雨.铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池发展概述[J].建设科技，2015（18）：50-57

[2]ZHANG L， JIANG F D， FENG J Y. Formation of CuInSe2 and Cu（In，Ga）Se2 film by electro deposition and vacuum annealing treatment[J]. Sol Energy Mater Sol Cells， 2003， 80（4）： 483-490.

[3]杨江波，等.CIGS薄膜太阳能电池研究进展[J].电源技术，2014，38（8）：1587-1590.