新型无镉缓冲层CIGS太阳能电池研究进展

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新型无镉缓冲层CIGS

太阳能电池研究进展

兔子君导读

薄膜太阳能电池由于具有可用柔性材料、可透光、弱光性能好、温度系数低等独特优势，得到了广泛关注。铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池是最被看好的薄膜太阳能电池之一，在近十多年，很多企业和研究所投身这一领域，其技术迅速成长。传统CIGS电池采用硫化镉（CdS）作为缓冲层，其中镉有毒并会造成环境污染，因此，无镉缓冲层CIGS太阳能电池的开发成为全球CIGS太阳电池研究的热点。今天兔子君带大家看看当前无镉缓冲层CIGS太阳能电池的研究进展。

传统CIGS太阳能电池结构

传统CIGS电池的结构如图1所示，其核心的p-n结为P型的CIGS和N型的CdS，N型的CdS通常被称为该电池的缓冲层。由于镉（Cd）的毒性和不环保，新型无镉缓冲层的开发已成为研究热点，并且无镉CIGS电池的效率已逼近传统CIGS电池。

图1 传统CIGS太阳能电池结构

最被看好的无镉缓冲层

Zn(O,S)，Zn1−xSnxO， (Zn,Mg)O，In2S3 是目前最被看好的无镉缓冲层。其中In为稀有金属，所以前三种具有更好的发展前景。无镉缓冲层的特点是带隙比传统CdS的带隙更大，因此有效地减少对蓝光的吸收, 增加光谱响应范围。然而，无镉CIGS电池的开路电压较CdS的低，造成效率普遍低于传统CIGS电池。

主要制备方法

制备方法分为干法和湿法两大类，具体的制备方法表1。

湿法：水浴沉积法（CBD）

         特点：成本低；不利于流水线生产，因为其他步骤为干法。

干法：化学气相沉积（CVD），物理气相沉积（PVD） 。下表中ALD属于CVD，而磁控溅射属于PVD。

         特点：成本高，易与产线兼容。

表1 无镉缓冲层制备方法

研究进展

无镉缓冲层研究方向处于领先的研究机构主要来自美国、日本、德国、瑞典、瑞士等，如美国可再生能源实验室（NREL），亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB），德国太阳能与氢能研究中心（ZSW），日本Solar Frontier等，详见表2。目前最高效率达到22%，由Solar Frontier创造。

表2 实验室规模无镉CIGS电池效率

在试验组件上的研发，Solar Frontier目前处于领先，其研究成果如下：

表3 无镉CIGS试验组件效率

领先机构及技术

1. Solar Fontier

全称Solar Frontier Kabushiki Kaisha，是一家世界领先的CIGS薄膜太阳能电池生产商，隶属于日本昭和殼牌石油Showa Shell Sekiyu。其前身为Showa Shell Solar，创立于2006年，2010年4月正式更名为Solar Frontier。

Solar Fontier曾在2015年创造了传统CIGS电池的效率最高纪录，22.3%，现在已被ZSW 22.6%的效率超越。而在无镉缓冲层CIGS电池的研究上，是目前最高效率的保持者，已认证效率达到22%。

表4和图2&3对比了当年效率最高的有镉和无镉电池，可以看出，无镉缓冲层电池的短板——开路电压Voc低，由于技术的进步，已得到极大改善，其Voc 717.0 mV已和CdS电池的721.9 mV非常接近了。 

表4 传统和无镉CIGS电池数据对比

图2 无镉CIGS电池I-V曲线、功率曲线

图3 传统CIGS电池I-V曲线、功率曲线

表5详细展示了近5年，Solar Frontier在CIGS太阳能电池研发上的进展。在尚未得到官方认证的数据中，无镉电池22.8%的效率竟然超过了CdS电池的22.7% 。由此可见，无镉缓冲层CIGS电池的未来是值得期待的。 

表5 Solar Frontier近五年发展

对于想了解无镉CIGS电池结构的兔粉，兔子君附上Solar Frontier效率19.7%的电池结构图供参考。

图4 Solar Frontier无镉电池结构图（效率19.7%）

2. ZSW

ZSW是欧洲领先的研究机构，致力于光伏和新型储能技术的研发，是连接基础研究和产业化的桥梁。如前面提到，ZSW是目前传统CIGS电池最高效率纪录的保持者；而在无镉缓冲层CIGS电池的研发上，也处于领先地位，最高效率达到21%。

如图5所示，ZSW采用Zn(O,S)/(Zn,Mg)O替代传统电池的CdS/i-ZnO。

图5 ZSW无镉CIGS电池结构图

与CdS相比，此种无镉缓冲层具有如下特点：

Zn(O,S)生长速率有限

最高效率相同

平均效率较低

下图显示了采用不同缓冲层制备的CIGS电池的效率分布。 

图6 无镉和传统CIGS电池效率分布

3. 瑞典乌普萨拉大学

乌普萨拉大学采用了与上面两个机构不同的Zn1-xSnxOy缓冲层，效率在2012年达到18.2%，电池结构为SLG/Mo/CIGS/Zn1-xSnxOy/i-ZnO/ZnO:Al/MgF2.

图7&8分别为为CdS和无镉CIGS电池的I-V曲线和外量子效率。可以看出Zn1-xSnxOy的应用减少了短波长的光吸收，短波量子效率增加，短路电流增加。 

图7 CdS和无镉CIGS电池的I-V曲线、功率曲线

图8 CdS和无镉CIGS电池的外量子效率

总结

无镉缓冲层具有环保，蓝光响应好，短路电流更高的优点，但开路电压和填充因子较低，因此效率普遍低于CdS电池2-3%。期待未来的技术进步能带给我们效率更高、更环保、性价比更佳的铜铟镓硒薄膜太阳能电池，那时CIGS生产商将不用在效率和环保之间做艰难抉择了。

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