高效CDTE和CIGS薄膜太陽能電池的亮點(diǎn)與挑戰(zhàn)

????? 表II對(duì)一些知名公司所產(chǎn)不同尺寸的CIGS；CIGS和CdTe組件商品的最大效率和功率作了比較。

??? 數(shù)據(jù)表明CIGS和CdTe?組件的性能目前已達(dá)到多晶硅光電池的水平。除了效率有所改進(jìn)外，我們還看到了很高的產(chǎn)量和較高的產(chǎn)率。??

????? 圖1是CdTe和CIGS器件的結(jié)構(gòu)示意圖。不同實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品其各層的厚度近似,有時(shí)也可能稍有不同。為了能更好地進(jìn)行比較，掃描電子顯微截面圖給出了器件結(jié)構(gòu)的真實(shí)投影。請(qǐng)注意CIGS器件是一種基片（substrate）?結(jié)構(gòu)，制作時(shí)從玻璃/基電極開始，而CdTe器件則是一種超基片(superstrate)結(jié)構(gòu)，制作時(shí)從玻璃/透明的頂電極開始，在這兩種結(jié)構(gòu)中各層的生長(zhǎng)都有可能影響前結(jié)和后結(jié)——p/n界面和底觸點(diǎn)的性能，并因此而影響器件的效率。
???CdTe器件最常用的噴鍍方法有：購買涂有氧化錫（SnO2）玻璃，或是在玻璃上用錫酸鎘噴鍍，也可以用錫酸鋅濺射，然后再用硫化鎘鍍槽進(jìn)行化學(xué)鍍（CBD）。
???CdTe?薄膜阻尼層的制取通常是在密閉空間進(jìn)行升華，蒸汽輸送淀漬，或是電淀漬，然后再進(jìn)行氯化鎘處理。底觸點(diǎn)是在?碲（CdTe）底表層經(jīng)過化學(xué)刻蝕后涂敷的。底觸點(diǎn)的品種各式各樣。從含有碲化銅CuxTe和碲化汞HgTe的石墨乳到銅和其他金屬的混合物各式各樣。銅和底觸點(diǎn)形成銅的某種摻雜物是無法避免的。它對(duì)器件的性能和穩(wěn)定性的影響是當(dāng)前緊張研究的課題[5.6]。
???CIGS器件的制作從把鉬濺射在玻片上開始了。鉬膜的參數(shù)必須經(jīng)過優(yōu)選以保證結(jié)層的電阻和良好的表面幾何形狀，使鈉能從玻璃向CIGS層擴(kuò)散。鈉有助于CIGS晶粒的增長(zhǎng)，并增加輸送的濃度。鈉的最佳濃度約為0.1%（原子的）。在無鈉基片上的生長(zhǎng)對(duì)其CIGS膜的要求是要能在鉬底觸點(diǎn)上導(dǎo)入60~120Ao氟化鈉層，在CIGS淀漬過程中導(dǎo)入氟化鈉也可以。器件中鈉的缺席，效率會(huì)減少2%~3%（這是確實(shí)無疑的）。CIGS阻尼層可以用好幾種方法進(jìn)行噴鍍?？梢杂萌軇┩端屯瑫r(shí)進(jìn)行多元素蒸發(fā)，或是按規(guī)定的要求進(jìn)行多金屬的噴鍍，再用硒酸進(jìn)行硒化處理，也可以用金屬和硒蒸汽進(jìn)行活性真空濺射，再有就是用金屬印劑進(jìn)行印刷，然后再做硒化處理，后一方法不需要真空。硫化鎘層是用化學(xué)鍍槽先鍍，然后再濺射一層由固有的和后加的氧化鋅組成的雙層氧化鋅淀漬層制得的。氧化鋅層也可用化學(xué)蒸汽淀漬工藝涂敷。兩種工藝的工業(yè)過程基本上都是上述各種方法的聯(lián)合運(yùn)用。
???CIGS和CdTe組件具有共同的特性和結(jié)構(gòu)部件，所以原則上兩者的單位面積成本應(yīng)當(dāng)基本相同。因此，對(duì)功率成本而言，效率就成了重要的區(qū)別因素。然而，實(shí)際上，生產(chǎn)過程由于產(chǎn)量和產(chǎn)率大不相同，有時(shí)較高性能的效益也可能被抵消，目前的情況是，生產(chǎn)CdTe組件的成本要低于CIGS，然而若干年后半導(dǎo)體的成本很可能有重大的攀升。?
???兩種工藝的長(zhǎng)期發(fā)展?jié)撃?，都需要進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)，重點(diǎn)是要克服科學(xué)和工程上的難點(diǎn)，以找到達(dá)到預(yù)期的成本效率的組件性能和使用壽命。薄膜界的科學(xué)家和工程師在這方面已取得了不少成功。然而知識(shí)的轉(zhuǎn)移特別是在生產(chǎn)工藝的領(lǐng)域要想把實(shí)驗(yàn)室的知識(shí)成功應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，那要比預(yù)想的困難得多，更由于這兩種復(fù)合物半導(dǎo)體固有的復(fù)雜性，因此我們還有更多的研究必須要做。
???困難和挑戰(zhàn)
???下面我們列舉一些關(guān)鍵的難點(diǎn)。那是要想加速工業(yè)化生產(chǎn)必須要提出來加以解決的問題，但是由于篇幅有限，既不全面也沒有詳細(xì)論述。
????1、科學(xué)和工程上的保證：在這里，提高科學(xué)和工程的基礎(chǔ)知識(shí)極其必要。
???（a） 獲取可以計(jì)測(cè)的材料參數(shù)，用以預(yù)測(cè)器件和組件的性能。
???（b） 模擬膜的生長(zhǎng)和物料運(yùn)送之間的相互關(guān)系。
???（c） 把這些知識(shí)運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)過程之中，可預(yù)料到的有益影響會(huì)是在生產(chǎn)過程的每道工序都會(huì)提高產(chǎn)量和產(chǎn)率，會(huì)提高器件可靠性的等級(jí)和再現(xiàn)率。當(dāng)然器件的性能也必然會(huì)因此而提高。
????2、長(zhǎng)期的穩(wěn)定性：兩種工藝所得產(chǎn)品都具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，然而也發(fā)現(xiàn)了性能衰退的情況。為什么某些組件能保持穩(wěn)定的性能而另一些則不能呢？這個(gè)問題要求我們能對(duì)器件階段和樣品組件階段產(chǎn)品的衰退機(jī)理能有更好的了解，能區(qū)別是器件本身帶來的問題，還是包裝過程中外來因素造成的影響。已查明，水蒸氣通過封裝的滲入能降低器件的性能，因此開發(fā)能阻擋水蒸氣的薄膜阻水層將能提高器件的壽命。對(duì)CIGS和?CdTe戶外性能已經(jīng)做了大量的監(jiān)測(cè)和跟蹤。到目前為止，對(duì)器件衰退的原因了解還不多，更缺少對(duì)器件階段和組件階段研究的反饋。最近Albin[7.8.9]?在NREL研究了CdTe器件衰減與濕度的關(guān)系。數(shù)據(jù)表明，在不同溫度下控制衰退的機(jī)理不同。在90~120℃的溫度下，衰退為銅從底觸點(diǎn)向電學(xué)結(jié)的擴(kuò)散所控制。而在60~90℃之間出現(xiàn)衰退可能的原因目前還不知道，很有可能是操作不當(dāng)所致。這些研究都有助于找到合適的相關(guān)老化試驗(yàn)方案。另一個(gè)需要進(jìn)一步考慮的問題是需要找到合適的密封劑。這些密封劑必須能在室溫下使用和固化，并且還要不和它接觸到的半導(dǎo)體層起化學(xué)反應(yīng)。
????3、現(xiàn)場(chǎng)工藝診斷和控制
到目前為止在CIGS和CdTe的工藝流程中已很少看到現(xiàn)場(chǎng)診斷和控制了。之所以出現(xiàn)這種情況是有關(guān)材料性質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)還掌握不多，還不足以以此為依據(jù)來指導(dǎo)診斷儀器的研發(fā)，而所研發(fā)的診斷儀器又必須能對(duì)高速處理作出響應(yīng)，并及時(shí)反饋調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)過程。從而提高產(chǎn)量和產(chǎn)率，并使工藝變得可靠和可以重復(fù)。最近只有少數(shù)幾種方法在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所用原理主要是根據(jù)生長(zhǎng)表面輻射率的改變，利用x射線熒光對(duì)成分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。
????4、更薄的CIGS和CdTe阻尼層——這個(gè)想法是出于對(duì)In和Te的價(jià)格及其利用率的關(guān)注而提出的。近來由于應(yīng)用上的競(jìng)爭(zhēng)（平板顯示器），這種關(guān)注對(duì)In似乎比對(duì)Te更厲害。例如，In的利用率，將開始有重大突破，生產(chǎn)容量在向幾十千兆瓦的水平邁進(jìn)，減少阻尼層的厚度也有另外的好處，特別是CIGS能使產(chǎn)量更高，物耗更低。主要的難點(diǎn)是如何把阻尼層的厚度減到0.5微米以下，而工藝水平不變。當(dāng)然，把阻尼層弄得很薄也會(huì)出現(xiàn)一些隱蔽的毛病，包括不均勻性，短路/針眼，產(chǎn)率降低，甚至還要根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范改變器件的結(jié)構(gòu)。
????表III摘要羅列了帶有極薄CIGS和CdTe阻尼層實(shí)驗(yàn)室器件的性能數(shù)據(jù)[10，11]。通常，在阻尼層的厚度小于1微米時(shí)，性能的衰退開始變得明顯，這很可能是由于我們的知識(shí)不夠所造成的。
????為了探索極薄阻尼層的衰退機(jī)理，正在進(jìn)行許多器件的模型試驗(yàn)研究[1，2，3]
????5、需要尋求高產(chǎn)量和低成本的工藝
這對(duì)CIGS技術(shù)更迫切，近來，做得最好的器件和大組件都是按下述兩種方法生產(chǎn)的：在真空下，對(duì)元素進(jìn)行升華逸散，還有就是用金屬進(jìn)行濺鍍，然后再用硒酸（H2Se）進(jìn)行硒化處理。這兩種工藝的共同缺點(diǎn)是產(chǎn)率相當(dāng)?shù)?，材料利用率不高，還需要使用高真空。用柱形磁控管通過高速濺射進(jìn)行淀漬是現(xiàn)時(shí)采用的方法。然而到目前為止，這種方法達(dá)不到現(xiàn)有的工藝水平。低成本的工藝應(yīng)當(dāng)要有高的淀漬速率，高的材料利用率，并且能用較單一的設(shè)備處理加工很大的基片。使用毫微米（10-9）組件制造可印刷的初坯（procursor）。這個(gè)可印刷的初坯是在CIGS中結(jié)晶而成的。?