柔性衬底铜铟镓硒太阳能电池研究进展
柔性衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池以其生产成本低、光电转化率高以及更多的应用可能性等优势成为当前最具发展潜力的薄膜太阳能电池。对柔性衬底CIGS太阳电池的结构、特性以及衬底材料作了简单介绍。分析了多元共蒸发法、金属预置层后硒化法以及非真空沉积法等CIGS光吸收层制备方法的优缺点，并简要阐述了钠的掺杂与绝缘层材料的使用。综述了柔性衬底CIGS太阳能电池近年来的研究进展，最后就柔性衬底CIGS太阳能电池的研发与产业化过程中存在的问题作了分析与归纳。
与刚性玻璃基板衬底相比而言，柔性衬底铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池具有下述诸多优点。柔性衬底CIGS太阳能电池质量更轻，可以适用于不平坦的表面上，并可以在不使用时进行折叠放置。柔性衬底CIGS模块灵活和轻便的打开方式也增加了其它在地面和空间新的应用可能性。并且在运输，安装，维修，拆卸方面，柔性衬底CIGS太阳能电池由于重量轻所以更具灵活性。但基于铟金属资源的稀缺性，CIGS太阳能电池不能成为太阳能光伏的主体，而是更多的应用在军工装备等特殊情况，如单兵便携式移动通信充电装置。从工业生产的角度来看，制造CIGS太阳能电池模块的roll-to-roll过程具有相当大的潜在成本优势，使CIGS太阳电池组件批量生产成为现实。不同类型柔性基板的选择以及具体制备工艺对CIGS太阳能电池转换效率是至关重要的。不同的制备技术包括蒸发，溅射，电沉积，丝网印刷等制备出的CIGS模块，如何更为协调的互连和封装，也是至关重要的一个产业化课题。当前全球超过20个机构正在参与柔性衬底CIGS太阳能电池中试生产线的开发与建立，且各自具有不同的目标。由于成分多、结构复杂，工艺中某一项参数略有偏差，则材料的电学性能和光学性能变化很大，制备过程较难控制，因此，目前柔性衬底CIGS太阳能电池制备技术处于真空和非真空并行发展的中试阶段。本文对柔性衬底CIGS太阳能电池的结构、特性以及衬底材料作了简单介绍，综述了柔性CIGS太阳能电池近年来的研发现状，最后就柔性CIGS太阳能电池的研发与产业化过程中存在的问题进行了分析与归纳。
1、柔性CIGS太阳能电池结构与衬底
典型的柔性CIGS太阳能电池结构包括柔性衬底;背电极(Mo)，具有比较好的结晶度和表面电阻;光吸收层(CIGS)，为黄铜矿结构的p型半导体薄膜;n型半导体缓冲层(CdS)，以及透明导电的窗口层(高-iZnO与ZnO:Al薄膜)。p型CIGS和n型CdS及高阻n型-iZnO形成p-n异质结，是CIGS太阳能电池的核心层。最后用电子束蒸发制备Ni/Al电极，并在上面再覆盖一层增透膜MgF2。图1所示为聚酰亚胺(PI)衬底CIGS太阳能电池扫描电镜(SEM)照片。作为CIGS太阳能电池的柔性衬底材料通常需要满足以下基本条件:¹热稳定性，能承受制备吸收层时的高温环境，同时要有与电池的吸收层材料相近的热膨胀系数;º化学稳定性，制备吸收层时，不与Se反应，在CBD法制备CdS时不会分解;»真空适应性，真空中加热时不放气;¼适合卷绕工艺。目前使用的柔性衬底材料有聚酰亚胺和金属衬底(主要有钛、钼、不锈钢、铜和铝等金属箔材料)。
图1 聚酰亚胺衬底CIGS太阳能电池SEM照片
瑞士联邦材料测试与开发研究所(EMPA)的Ayodhya教授及其所带领的研发团队制造出了转化效率18.7%的柔性CIGS太阳能电池，并获得了德国佛朗霍恩斯太阳能系统研究院的独立认证，居各种柔性衬底薄膜电池光电转化效率之首。现阶段柔性衬底CIGS太阳能电池的研究热点是通过改进工艺条件或流程提高光吸收层的附着性，优化掺Na工艺，抑制高温沉积条件下金属衬底中Fe等元素对器件性能的影响，以及改善在衬底上低温沉积的CIGS薄膜性质。目前，美国及欧洲国家的一些生产企业已经实现了柔性CIGS薄膜电池组件的rol-ltoroll制备，并具备了兆瓦级的中试生产能力，如表1所示。但各企业产品的成品率还有待于提高，还需要对roll-to-roll工艺条件进行优化，对组件级联技术及封装技术进行研究。
表1 柔性衬底CIGS太阳电池生产企业
以柔性金属为衬底的CIGS太阳能电池为实现单片集成的大面积光伏组件，需要在金属衬底和背电极Mo之间制备绝缘阻挡层;研究表明，绝缘的氧化物Al2O3和SiOx等是较好的材料。绝缘的氧化层除了在单片集成电池和金属衬底之间作为电绝缘层，同时还是金属衬底和电池之间的扩散阻挡层。南开大学张力研究了柔性不锈钢衬底CIGS太阳能电池中的Cr扩散阻挡层。其实验结果表明，Cr阻挡层能够部分阻挡Fe等杂质从不锈钢衬底热扩散进入CIGS光吸收层中，同时可以显著降低CIGS光吸收层的粗糙度，提高薄膜结晶质量，所得柔性不锈钢衬底CIGS太阳能电池转换效率达到10.7%。几种柔性衬底及绝缘的氧化物的热膨胀系数(CTE)和密度见表2所列。
表2 几种柔性衬底及绝缘的氧化物的热膨胀系数和密度
4、结束语
柔性衬底CIGS太阳能电池近几年来无论是在研究方面还是在产业化方面都取得了很大的进步。伴随着多家公司相继实现柔性CIGS太阳能电池的中试生产，柔性CIGS太阳能电池的研发、生产及应用都已经迈上了一个新的台阶，其光电转化效率、产品的成品率以及单片电池面积都不断获得提升。柔性CIGS太阳能电池正在逐步从实验室走向广阔的商业化应用。就目前柔性衬底CIGS太阳能电池的状况来分析，柔性CIGS太阳能电池的研究应注重两个方面。一是加紧研发与试制柔性封装材料，提升柔性CIGS太阳能电池在柔性和轻质量上的优势;二是系统化地研究rol-lto-roll制备工艺与装备，促进其产业化和商业化进程。
